Ученые объединили два «невозможных» материала в новую искусственную структуру

Международная команда под руководством исследователей из Университета Рутгерса-Нью-Брансуика объединила два лабораторных синтезированных материала в искусственную квантовую структуру, существование которой ранее считалось невозможным. Полученная экзотическая структура, как ожидается, позволит получить новые знания, которые могут привести к созданию материалов для квантовых вычислений.

Работа, описанная в статье на обложке журнала Nano Letters, объясняет, как четыре года непрерывных экспериментов привели к разработке нового метода создания уникальной микроскопической «сэндвич»-структуры из различных атомных слоев.

Один слой этой микроструктуры состоит из титаната диспрозия — неорганического соединения, используемого в ядерных реакторах для улавливания радиоактивных материалов и содержания неуловимых магнитных монополей. Другой слой образован пирохлорным иридатом — новым магнитным полуметаллом, который в основном используется в современных экспериментальных исследованиях благодаря своим уникальным электронным, топологическим и магнитным свойствам.

По отдельности оба материала часто считаются «невозможными» из-за их свойств, бросающих вызов традиционному пониманию квантовой физики.

Создание этой необычной «сэндвич»-структуры открывает новые возможности для научных исследований в области интерфейса — зоны контакта материалов на атомном уровне.

«Эта работа предлагает новый способ создания полностью искусственных двумерных квантовых материалов, которые могут продвинуть квантовые технологии и дать более глубокое понимание их фундаментальных свойств, что ранее было невозможно», — сказал Джак Чакхалян, профессор экспериментальной физики в Школе искусств и наук Рутгерса и ведущий автор исследования.

Чакхалян и его команда исследуют область, подчиняющуюся законам квантовой теории — раздела физики, описывающего поведение материи и энергии на атомном и субатомном уровнях.

Ключевым понятием квантовой механики является дуальность волны-частицы, согласно которой квантовые объекты могут обладать как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Этот принцип лежит в основе таких технологий, как лазеры, магнитно-резонансная томография (МРТ) и транзисторы.

Чакхалян высоко оценил вклад трех студентов Рутгерса, внесших значительный вклад в исследование: Майкла Терилли и Цунг-Чи Ву, аспирантов, и Дороти Доути, которая работала над проектом во время учебы и окончила университет в 2024 году.

Кроме того, Михаил Кареев, материаловед, сотрудничающий с Чакхаляном, внес основной вклад в разработку нового метода синтеза, как и Фангди Вэнь, недавно защитивший докторскую диссертацию на кафедре физики и астрономии.

Чакхалян отметил, что создание уникального квантового «сэндвича» было настолько технически сложным, что команде пришлось разработать новое устройство для его реализации.

Прибор под названием Q-DiP (платформа для открытия квантовых явлений) был завершен в 2023 году.

Q-DiP сочетает инфракрасный лазерный нагреватель с другим лазером, что позволяет создавать материалы на атомном уровне, слой за слоем.

Эта комбинация дает ученым возможность исследовать самые сложные квантовые свойства материалов при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю.

«Насколько нам известно, этот прибор уникален в США и представляет собой прорыв в инструментальном развитии», — сказал Чакхалян.

Часть «сэндвича», состоящая из титаната диспрозия (также известного как спиновый лед), обладает особыми свойствами.

Крошечные магниты внутри материала, называемые спинами, расположены таким образом, что напоминают структуру водяного льда.

Уникальное расположение спинов в спиновом льде позволяет им проявляться как особым частицам — магнитным монополям.

Магнитный монополь — это частица, которая ведет себя как магнит, но имеет только один полюс (северный или южный, но не оба одновременно).

Этот объект, предсказанный в 1931 году нобелевским лауреатом Полем Дираком, не существует в свободной форме во Вселенной, но возникает внутри спинового льда в результате квантово-механических взаимодействий в материале.

Другая часть «сэндвича» — полуметалл пирохлорный иридат — также считается экзотической, поскольку содержит релятивистские частицы, называемые фермионами Вейля.

Эти частицы, предсказанные Германом Вейлем в 1929 году и обнаруженные в кристаллах в 2015 году, движутся подобно свету и могут вращаться в разных направлениях (по или против часовой стрелки).

Их электронные свойства очень устойчивы к определенным типам возмущений или примесей, что делает их стабильными при использовании в электронных устройствах.

В результате пирохлорный иридат обладает высокой электропроводностью, необычно реагирует на магнитные поля и демонстрирует особые эффекты под воздействием электромагнитных полей.

Чакхалян отметил, что комбинированные свойства нового материала делают его перспективным кандидатом для использования в передовых технологиях, включая квантовые вычисления и особенно квантовые сенсоры следующего поколения.

«Это исследование — большой шаг вперед в синтезе материалов, который может значительно повлиять на создание квантовых сенсоров и развитие спинтронных устройств», — сказал он.

Квантовые вычисления используют принципы квантовой механики для обработки информации.

Квантовые компьютеры работают с кубитами, которые могут находиться в нескольких состояниях одновременно благодаря принципу суперпозиции.

Это позволяет выполнять сложные вычисления гораздо эффективнее, чем на классических компьютерах.

Уникальные электронные и магнитные свойства материала, разработанного исследователями, могут помочь в создании необычных и стабильных квантовых состояний, необходимых для квантовых вычислений.

Когда квантовые технологии станут практичными, они окажут значительное влияние на повседневную жизнь, революционизируя разработку лекарств и медицинские исследования, значительно улучшив операции, прогнозируемость и экономию затрат в финансах, логистике и производстве. Также ожидается, что они преобразуют алгоритмы машинного обучения, сделав системы искусственного интеллекта более мощными, отметили ученые.

Дополнительная информация

• Какие практические применения могут иметь магнитные монополи, если их удастся выделить из спинового льда? - Они могут революционизировать квантовые вычисления и создать новые типы энергонезависимой памяти благодаря их уникальным магнитным свойствам.
• Как фермионы Вейля отличаются от других квантовых частиц, и почему их стабильность важна для электронных устройств? - Фермионы Вейля не имеют массы и обладают высокой подвижностью, что делает их идеальными для создания сверхбыстрых и малоэнергозатратных электронных устройств.
• Какие ещё экзотические квантовые состояния материалов могут быть исследованы с помощью Q-DiP платформы? - С её помощью можно изучать квантовые спиновые жидкости, топологические изоляторы и другие состояния, которые могут лечь в основу будущих технологий.

Метаповерхности: Двухслойное устройство может управлять различными формами поляризованного света

Почти десять лет назад инженеры Гарварда представили первые в мире метаповерхности для видимого спектра — ультратонкие плоские устройства с наноструктурами, способные точно контролировать поведение света. Будучи мощной альтернативой традиционным громоздким оптическим компонентам, метаповерхности сегодня позволяют создавать компактные, легкие и многофункциональные устройства — от систем визуализации и дополненной реальности до спектроскопии и коммуникаций.

Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) пошли дальше, создав двухслойную метаповерхность, состоящую не из одного, а из двух слоев наноструктур диоксида титана.

Под микроскопом новое устройство выглядит как плотный массив ступенчатых небоскребов.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

«Это вершина нанотехнологий, — сказал старший автор работы Федерико Капассо, профессор прикладной физики имени Роберта Л. Уоллеса и старший научный сотрудник в области электротехники в SEAS. — Это открывает новый способ структурирования света, позволяя управлять всеми его аспектами — длиной волны, фазой и поляризацией — с беспрецедентной точностью. Это новый путь для метаповерхностей, которые до сих пор лишь слегка затрагивали свой потенциал».

В течение столетий оптические системы полагались на громоздкие изогнутые линзы из стекла или пластика для преломления и фокусировки света.

Революция метаповерхностей, начатая SEAS в последнее десятилетие, привела к созданию плоских ультратонких структур с миллионами микроскопических элементов, способных управлять светом с нанометровой точностью.

Ярким примером такой технологии являются металлинзы: в отличие от обычных линз, их можно изготавливать с использованием существующих полупроводниковых технологий, что делает возможными компактные интегрированные оптические системы в смартфонах, камерах и устройствах дополненной реальности.

После того, как команда Капассо представила первую рабочую металлинзу, способную преломлять видимый свет, они совместно с Гарвардским управлением технологического развития лицензировали технологию и основали компанию Metalenz.

С тех пор они продемонстрировали множество потенциальных применений, включая эндоскоп, искусственный глаз и телескопическую линзу.

Однако однослойная наноструктура, разработанная командой Капассо, в некоторой степени ограничивала возможности.

Например, предыдущие метаповерхности требовали строгих условий для управления поляризацией света — ориентацией световых волн — чтобы контролировать его поведение.

«Многие исследовали теоретическую возможность двухслойной метаповерхности, но реальным препятствием было производство», — сказал Альфонсо Пальмьери, аспирант и соавтор исследования.

Благодаря этому прорыву, пояснил Пальмьери, можно представить новые виды многофункциональных оптических устройств — например, систему, которая проецирует одно изображение с одной стороны и совершенно другое — с другой.

Используя оборудование Центра наномасштабных систем Гарварда, команда, в которую вошли бывшие постдоки Ахмед Дорра и Джун-Су Парк, разработала процесс изготовления автономных прочных структур из двух метаповерхностей, которые прочно соединены, но не взаимодействуют химически.

Хотя многоуровневое структурирование широко применяется в полупроводниковой промышленности, в оптике и метаоптике оно изучено недостаточно.

Чтобы продемонстрировать возможности своего устройства, команда провела эксперимент, в котором использовала двухслойную металлинзу для воздействия на поляризованный свет так же, как это делает сложная система волновых пластин и зеркал.

В будущих экспериментах команда может добавить еще больше слоев, чтобы управлять другими аспектами света, например, обеспечить сверхширокополосную работу с высокой эффективностью во всем видимом и ближнем инфракрасном спектре, открывая путь к еще более сложным световым технологиям.

Исследование было поддержано несколькими федеральными источниками финансирования, включая Управление военно-морских исследований (грант № N00014-20-1-2450) и Управление научных исследований ВВС (гранты № FA9550-21-1-0312 и FA9550-22-1-0243).

Устройства были изготовлены в Центре наномасштабных систем Гарвардского университета, входящего в Национальную сеть координации нанотехнологий, которая поддерживается Национальным научным фондом (грант № ECCS-2025158).

Благодарности сотрудникам: Штефан Кремер поддерживал процесс фокусированного ионного пучка, а Мак Хэтэуэй — процесс атомно-слоевого осаждения.

Дополнительная информация

• Какие преимущества дает использование диоксида титана в метаповерхностях по сравнению с другими материалами? - Диоксид титана (TiO2) обладает высоким показателем преломления и низким поглощением света в видимом диапазоне, что делает его идеальным для создания компактных и эффективных метаповерхностей. Он также устойчив к химическим воздействиям и долговечен.
• Как именно работают волновые пластины и зеркала в управлении поляризацией света, которые заменяет новая технология? - Волновые пластины изменяют поляризацию света, задерживая одну компоненту световой волны относительно другой (например, превращая линейно поляризованный свет в циркулярно поляризованный). Зеркала могут отражать свет с определенной поляризацией. Метаповерхности заменяют эти элементы, манипулируя светом на наноуровне с помощью микроскопических структур.

Диагностика неисправности может привести к созданию лучшего аккумулятора

Будущее — за электричеством.

Но как скоро? То, насколько быстро наше общество сможет максимально использовать преимущества электрификации, зависит от создания более дешевых и мощных батарей. Новое исследование Виргинского технологического института приближает нас к этой цели.

Группа химиков под руководством Фэн Линя и Луи Мэдсена нашла способ заглянуть внутрь интерфейсов батарей — сложных и труднодоступных областей, скрытых глубоко внутри элемента.

Результаты исследования были опубликованы 1 апреля в журнале Nature Nanotechnology.

«Существуют серьезные, давние проблемы на границах раздела», — сказал Джунгки Мин, аспирант-химик и первый автор исследования.

«Мы постоянно стремимся лучше контролировать эти скрытые поверхности».

Открытие нового метода визуализации, позволившего ученым заглянуть внутрь работающей батареи, произошло случайно.

Изначально они изучали новый состав электролитного материала.

Лучшая начинка для батареи

Электролит, расположенный между отрицательным и положительным электродами, представляет собой среду, которая переносит заряженные частицы (ионы) туда и обратно, обеспечивая зарядку и разрядку батареи.

Электролиты могут состоять из множества комбинаций солей, растворителей и добавок. Они бывают жидкими, твердыми, гелеобразными или даже многофазными, что означает, что материал может переходить из жесткого состояния в гибкое в зависимости от условий.

Но какой материал лучше всего подходит для критически важной задачи переноса заряда?

Это один из главных вопросов современной науки, и ответ на него ключевой для разработки высокоэнергетических батарей с увеличенным сроком службы, способных работать при экстремальных температурах. Все эти качества крайне важны для следующего поколения электромобилей, бытовой техники и других устройств на батареях, таких как системы искусственного интеллекта.

Где исчезает энергия

Чтобы ответить на этот вопрос, Линь и Мэдсен изучали многофазные полимерные электролиты, которые потенциально могут хранить больше энергии в батарее того же размера, а также быть безопаснее и дешевле традиционных аналогов.

Лаборатория Мэдсена открыла многофазный электролит, называемый молекулярным ионным композитом, в 2015 году.

Исследовательские группы Мэдсена и Линя совместно работали над созданием литиевых и натриевых батарей на основе этой формулы, постепенно улучшая их характеристики.

Однако есть несколько нюансов: батареи страдают от странных образований и нежелательных процессов, возникающих на границе электролита и электродов — в этом «бермудском треугольнике» батарей.

Прорыв на границах раздела

Чтобы понять причину нестабильного поведения на границе, Мин совершил множество поездок в Национальную лабораторию Брукхейвена за последние несколько лет.

Рентгеновский луч низкой энергии в Брукхейвене часто используется для анализа метеоритов и грибов, но до этого никто не применял его для изучения полимерных электролитов.

Результаты, полученные с помощью этого метода в сочетании с другими методами визуализации, позволили исследователям точно определить источник проблем: часть структурной опорной системы деградировала при циклировании батареи, что в конечном итоге приводило к ее отказу.

Но это не просто диагноз.

Теперь исследователи могут использовать этот метод, чтобы наконец увидеть как сложную структуру, так и химические реакции на скрытых границах раздела.

«Это было отличное сотрудничество между несколькими исследовательскими лабораториями по всей стране», — сказал Линь, научный сотрудник имени Лео и Мелвы Харрис.

«Теперь у нас есть четкое механистическое понимание, которое поможет нам улучшить дизайн границ раздела и межфазных областей в твердополимерных батареях».

Дополнительная информация

• Какие преимущества имеют многофазные полимерные электролиты по сравнению с традиционными жидкими электролитами? - Они более безопасны (меньше риска утечек и возгорания), обладают лучшей механической стабильностью и могут работать в широком диапазоне температур, хотя их ионная проводимость иногда ниже.
• Как рентгеновский луч низкой энергии позволяет анализировать структуру батарей, и почему его раньше не использовали для этого? - Низкоэнергетические лучи лучше взаимодействуют с легкими элементами (например, литием) и меньше повреждают образец, но ранее не хватало чувствительности детекторов и методов обработки данных для точного анализа.

Гены могут влиять на наше удовольствие от музыки

Музыка занимает центральное место в человеческих эмоциях и культуре. Имеет ли наша способность получать удовольствие от музыки биологическую основу? Генетическое исследование близнецов, опубликованное в журнале Nature Communications, показывает, что наслаждение музыкой частично наследуется. Международная команда под руководством ученых из Института психолингвистики Макса Планка в Неймегене (Нидерланды) выявила генетические факторы, влияющие на степень удовольствия от музыки, которые частично отличались от генов, влияющих на общее удовольствие от вознаграждающих переживаний или музыкальные способности.

Музыка играет важную роль в человеческих эмоциях, социальных связях и культурном самовыражении.

Как уже отмечал Дарвин, музыка "должна быть отнесена к числу самых загадочных способностей, которыми наделен человек". Но почему люди получают удовольствие от музыки?

"Ответ на этот большой вопрос потенциально может открыть окно в более общие аспекты человеческого разума, такие как то, как переживания становятся приятными", — говорит первый автор исследования, кандидат наук Джакомо Бигнари.

"Мы хотели понять, могут ли генетические различия между людьми приводить к различиям в удовольствии, которое они получают от музыки, и что эти различия могут рассказать нам о музыкальности человека в целом".

Чтобы определить, вносят ли генетические факторы вклад в наслаждение музыкой или "чувствительность к музыкальному вознаграждению", исследователи использовали метод близнецов, который сравнивает сходства между однояйцевыми и разнояйцевыми близнецами.

Проще говоря, если однояйцевые близнецы более похожи, чем разнояйцевые, значит, генетика должна играть роль.

В сотрудничестве с Институтом эмпирической эстетики Макса Планка в Германии и Каролинским институтом в Швеции команда смогла использовать данные более чем 9000 близнецов, включая их самооценку музыкального вознаграждения и общей чувствительности к вознаграждению, а также их способность воспринимать музыкальные особенности, такие как высота тона, мелодия и ритм.

Результаты показывают, что способность испытывать удовольствие от музыки частично наследуется: используя метод близнецов, исследователи смогли оценить, что 54% вариативности в шведской выборке связаны с различиями в ДНК между людьми.

Команда также обнаружила, что генетические влияния на чувствительность к музыкальному вознаграждению частично независимы от общей чувствительности к вознаграждению и музыкальных перцептивных способностей, и выявила, что различные генетические пути влияют на разные аспекты наслаждения музыкой, такие как регуляция эмоций, танцы под ритм или совместное музицирование.

"Эти результаты рисуют сложную картину, в которой частично различные ДНК-различия вносят вклад в разные аспекты наслаждения музыкой", — заключает Бигнари. "Будущие исследования, направленные на то, какая часть генома вносит наибольший вклад в человеческую способность получать удовольствие от музыки, потенциально могут пролить свет на ту человеческую способность, которая больше всего озадачивала Дарвина и продолжает озадачивать нас сегодня".

Самый маленький в мире кардиостимулятор активируется светом

Инженеры Северо-Западного университета разработали кардиостимулятор настолько крошечный, что он помещается внутри кончика шприца и может быть введен в организм неинвазивным способом.

Хотя устройство подходит для сердец любого размера, оно особенно хорошо подходит для хрупких сердец новорожденных с врожденными пороками.

Меньше рисового зерна, этот кардиостимулятор работает в паре с мягким, гибким, беспроводным носимом устройством, которое крепится на груди пациента и управляет стимуляцией.

Когда носимое устройство обнаруживает нарушение сердечного ритма, оно автоматически посылает световой импульс для активации кардиостимулятора.

Эти короткие импульсы, проникающие через кожу, грудину и мышцы пациента, контролируют работу сердца.

Разработанный для пациентов, которым требуется временная стимуляция, кардиостимулятор просто растворяется после выполнения своей функции.

Все компоненты устройства биосовместимы и естественным образом растворяются в биожидкостях организма, устраняя необходимость хирургического извлечения.

Исследование будет опубликовано 2 апреля в журнале Nature. В работе демонстрируется эффективность устройства на различных моделях животных, а также на сердцах умерших доноров органов.

"Насколько нам известно, мы создали самый маленький в мире кардиостимулятор", — заявил пионер биоэлектроники Джон А. Роджерс, руководивший разработкой.

"Временные кардиостимуляторы крайне необходимы в детской кардиохирургии, и в этом случае миниатюризация имеет огромное значение. Чем меньше устройство, тем лучше для организма".

"Нашей главной мотивацией были дети", — добавил экспериментальный кардиолог Игорь Ефимов, соавтор исследования.

"Около 1% детей рождаются с врожденными пороками сердца — независимо от уровня развития страны. Хорошая новость в том, что этим детям требуется лишь временная стимуляция после операции. Примерно через семь дней сердце большинства пациентов восстанавливается самостоятельно. Но эти семь дней критически важны. Теперь мы можем разместить этот крошечный стимулятор на сердце ребенка и управлять им с помощью мягкого носимого устройства. При этом не требуется дополнительной операции для его удаления".

Роджерс — профессор материаловедения, биомедицинской инженерии и нейрохирургии, директор Института биоэлектроники Керри Симпсона. Ефимов — профессор биомедицинской инженерии и кардиологии.

Исследование также проводилось при участии профессоров Йонганга Хуана, Вэй Оуяна и Риши Ароры.

Решение неудовлетворенной клинической потребности

Эта работа основана на предыдущей коллаборации Роджерса и Ефимова, в рамках которой они создали первое растворимое устройство для временной стимуляции.

Многим пациентам после операции на сердце требуется временный кардиостимулятор — либо в ожидании постоянного, либо для восстановления нормального ритма во время реабилитации.

Согласно текущему стандарту, хирурги пришивают электроды к сердечной мышце во время операции. Провода от электродов выводятся через грудную клетку и подключаются к внешнему блоку, который регулирует сердечный ритм.

Когда временный стимулятор больше не нужен, врачи удаляют электроды. Этот процесс может привести к осложнениям: инфекциям, смещению, повреждению тканей, кровотечениям и тромбам.

"Провода буквально торчат из тела, присоединенные к внешнему стимулятору", — пояснил Ефимов.

"При удалении провода, которые могут обрасти рубцовой тканью, способны повредить сердечную мышцу".

В ответ на эту клиническую потребность команды Роджерса и Ефимова разработали растворимый кардиостимулятор, представленный в Nature Biotechnology в 2021 году.

Тонкое, гибкое и легкое устройство устранило необходимость в громоздких батареях и жестком оборудовании, включая провода.

Лаборатория Роджерса ранее изобрела концепцию биорезорбируемой электронной медицины — устройств, которые оказывают терапевтический эффект, а затем безопасно растворяются в организме, как рассасывающиеся швы.

Меняя состав и толщину материалов, команда может контролировать срок работы устройства перед растворением.

Батарея на биожидкостях

Хотя первый растворимый кардиостимулятор размером с монету хорошо показал себя в доклинических испытаниях, кардиохирурги запросили более миниатюрную версию для малоинвазивной имплантации и использования у самых маленьких пациентов.

Первое устройство работало на основе технологии ближнего поля (как в смартфонах для бесконтактных платежей), что требовало встроенной антенны.

"Наш первоначальный стимулятор работал хорошо, но размер антенны ограничивал миниатюризацию", — отметил Роджерс.

"Вместо радиочастотного управления мы разработали световую схему активации. Это позволило радикально уменьшить размеры".

Для дальнейшего сокращения габаритов исследователи переосмыслили источник питания. Новый крошечный стимулятор работает за счет гальванического элемента — простой батареи, преобразующей химическую энергию в электрическую.

Конкретно, устройство использует два разных металла в качестве электродов. При контакте с биожидкостями они образуют батарею, генерирующую ток для стимуляции сердца.

"Очень маленький светоактивируемый переключатель позволяет включать устройство с помощью света, проходящего через тело от носимого патча", — пояснил Роджерс.

Световые импульсы

Команда использовала инфракрасный свет, который глубоко и безопасно проникает в тело. Если частота сердечных сокращений падает ниже нормы, носимое устройство активирует светодиод, который мигает с частотой, соответствующей нормальному ритму.

"Инфракрасный свет прекрасно проходит через тело", — сказал Ефимов. "Наше тело — отличный проводник света".

Несмотря на крошечные размеры (1,8 мм в ширину, 3,5 мм в длину и 1 мм в толщину), устройство обеспечивает такую же стимуляцию, как полноразмерный кардиостимулятор.

"Сердцу требуется минимальная электрическая стимуляция", — отметил Роджерс. "Минимизация размеров упрощает имплантацию, снижает риски для пациента и устраняет необходимость повторной операции по извлечению".

Усовершенствованная синхронизация

Благодаря миниатюрности несколько стимуляторов можно распределить по сердцу, управляя каждым отдельно с помощью света разного цвета. Это позволяет достичь более точной синхронизации по сравнению с традиционной стимуляцией.

"Мы можем разместить несколько таких устройств на сердце и контролировать их по отдельности", — сказал Ефимов. "Это улучшает синхронизацию. Мы также можем интегрировать стимуляторы в другие импланты, например, в протезы клапанов сердца".

"Из-за своих размеров этот стимулятор можно совместить практически с любым имплантируемым устройством", — добавил Роджерс. "Мы показали, как их можно использовать вместе с транскатетерными аортальными клапанами для решения возможных осложнений".

Технология открывает широкие возможности для биоэлектронной медицины, включая стимуляцию заживления нервов и костей, лечение ран и блокировку боли.

Исследование "Миллиметровые биорезорбируемые оптоэлектронные системы для электротерапии" поддержано Институтом биоэлектроники Керри Симпсона, фондом Leducq и Национальными институ

Дополнительная информация

• Как именно инфракрасный свет активирует кардиостимулятор на молекулярном уровне? - Инфракрасный свет поглощается специальными материалами в устройстве, вызывая их нагрев или фотохимические реакции, что генерирует электрические импульсы для стимуляции сердца.
• Какие конкретно металлы используются в гальваническом элементе и почему? - Чаще всего применяют магний и цинк, так как они биосовместимы и способны растворяться в организме без токсичного воздействия.
• Как долго растворяются компоненты устройства в организме? - Время растворения зависит от состава, но обычно занимает от нескольких дней до нескольких недель, постепенно рассасываясь под действием биологических жидкостей.
• Какие другие медицинские применения возможны для этой технологии световой активации? - Технология может быть адаптирована для нейростимуляции, временных датчиков или контролируемой доставки лекарств в целевые ткани.

Взгляд на одну из самых экстремальных сред Млечного Пути

Стрелец C — одна из самых экстремальных сред в галактике Млечный Путь. Эта облачная область космоса расположена примерно в 200 световых годах от сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Здесь массивное и плотное облако межзвездного газа и пыли за миллионы лет сжалось под собственной тяжестью, образовав тысячи новых звезд.

В новом исследовании группа ученых использовала наблюдения космического телескопа NASA «Джеймс Уэбб» для изучения Стрельца C с беспрецедентной детализацией.

Исследование возглавили астрофизик из Университета Колорадо в Боулдере Джон Балли, Сэмюэл Кроу из Университета Вирджинии, Рубен Федриани из Института астрофизики Андалусии в Гранаде и их коллеги.

Результаты могут помочь разгадать давнюю загадку о внутренних областях галактики, или, как называют их ученые, Центральной молекулярной зоне (ЦМЗ): в этом регионе наблюдается высокая плотность межзвездного газа.

Так почему же здесь рождается меньше новых звезд, чем предсказывали ученые?

Исследователи обнаружили, что мощные линии магнитного поля, похоже, пронизывают Стрелец C, образуя длинные и яркие нити горячего водородного газа, напоминающие спагетти — явление, которое может замедлять темпы звездообразования в окружающем газе.

«Это часть галактики с самой высокой плотностью звезд и массивных, плотных облаков водорода, гелия и органических молекул», — сказал Балли, профессор кафедры астрофизических и планетарных наук CU Boulder.

«Это один из ближайших известных нам регионов с экстремальными условиями, подобными тем, что существовали в молодой Вселенной».

Он и его коллеги опубликовали свои выводы 2 апреля в The Astrophysical Journal. Исследование является частью наблюдательной кампании, предложенной и возглавляемой Кроу, студентом четвертого курса Университета Вирджинии, недавно удостоенным стипендии Родса.

И, как отметил Кроу, поразительные изображения телескопа Уэбба показывают Стрелец C так, как его никогда раньше не видели.

«Из-за этих магнитных полей Стрелец C имеет принципиально иную форму, другой вид по сравнению с любым другим регионом звездообразования в галактике за пределами галактического центра», — сказал Кроу.

Звездные ясли

Исследование проливает свет на бурные рождения и смерти звезд в галактике Млечный Путь.

Звезды, как правило, образуются в так называемых «молекулярных облаках» — областях космоса, содержащих плотные скопления газа и пыли.

Ближайшие такие звездные ясли к Земле находятся в туманности Ориона, чуть ниже пояса Ориона.

Там молекулярные облака сжимались в течение миллионов лет, образуя скопление новых звезд.

Такие активные места звездообразования также предвещают их собственный конец.

По мере роста новые звезды начинают излучать в космос огромное количество радиации.

Эта радиация, в свою очередь, разгоняет окружающее облако, лишая регион вещества, необходимого для образования новых звезд.

«Даже Солнце, как мы думаем, образовалось в таком массивном скоплении», — сказал Балли.

«За миллиарды лет все наши звезды-сестры разошлись».

В отдельном исследовании, опубликованном сегодня в том же журнале, Кроу и его коллеги, включая Балли, углубились в изучение растущих «протозвезд», формирующихся в Стрельце.

Их данные раскрывают детальную картину того, как эти молодые звезды выбрасывают радиацию и разгоняют окружающие их газ и пыль.

Магнитные поля

В своем исследовании Балли изучил необычный внешний вид Стрельца C.

Он объяснил, что, в то время как туманность Ориона выглядит в основном гладкой, Стрелец C совсем не такой.

В этой области переплетаются десятки ярких нитей, некоторые из которых достигают нескольких световых лет в длину.

Эти нити состоят из плазмы — горячего газа заряженных частиц.

«Мы точно не ожидали увидеть эти нити», — сказал Рубен Федриани, соавтор исследования и постдокторант Института астрофизики Андалусии в Испании.

«Это было совершенно случайное открытие».

Балли отметил, что секрет нитей Стрельца C и природы его звездообразования, вероятно, кроется в магнитных полях.

Сверхмассивная черная дыра массой примерно в четыре миллиона раз больше нашего Солнца находится в центре галактики.

Движение газа, вращающегося вокруг этого гиганта, может растягивать и усиливать окружающие магнитные поля.

Эти поля, в свою очередь, формируют плазму в Стрельце C.

Балли предполагает, что туманность Ориона выглядит гораздо более гладкой, потому что находится в гораздо более слабой магнитной среде.

Ученые, добавил он, давно знали, что внутренние области галактики являются важным местом рождения новых звезд.

Но некоторые расчеты показали, что регион должен производить гораздо больше молодых звезд, чем наблюдается.

В ЦМЗ магнитные силы могут быть достаточно сильными, чтобы противостоять гравитационному коллапсу молекулярных облаков, ограничивая скорость образования новых звезд.

Тем не менее, время самого Стрельца C, возможно, подходит к концу.

Звезды региона уже разогнали большую часть его молекулярного облака, и эти ясли могут полностью исчезнуть через несколько сотен тысяч лет.

«Это почти конец истории», — сказал Балли.

Дополнительная информация

• Как магнитные поля в других галактиках влияют на звездообразование? - Магнитные поля могут как подавлять, так и направлять звездообразование, в зависимости от их силы и структуры. Сильные поля могут препятствовать коллапсу газовых облаков, замедляя процесс, в то время как слабые или упорядоченные поля могут способствовать формированию звезд.
• Какие органические молекулы обнаружены в Центральной молекулярной зоне? - В Центральной молекулярной зоне Млечного Пути обнаружены сложные органические молекулы, такие как метанол (CH₃OH), формальдегид (H₂CO), этиленгликоль (C₂H₆O₂) и даже аминокислотоподобные соединения.

Ученые предупреждают: Mpox может стать серьезной глобальной угрозой

Вирус Mpox (ранее известный как оспа обезьян) может превратиться в серьезную угрозу для глобального здравоохранения, если к нему относиться недостаточно серьезно, предупреждают ученые из Университета Суррея.

В письме, опубликованном в журнале Nature Medicine, исследователи отмечают, что mpox, который традиционно передавался от животных к человеку, теперь демонстрирует явные признаки устойчивой передачи от человека к человеку.

Mpox — это вирусная инфекция, вызываемая вирусом из того же семейства, что и вирус натуральной оспы.

Заболевание может сопровождаться болезненной сыпью, лихорадкой и увеличением лимфатических узлов, а в некоторых случаях приводить к более тяжелым последствиям.

Обычно вирус распространяется при тесном контакте с инфицированным человеком или животным.

Карлос Малукер де Мотес, преподаватель молекулярной вирусологии Университета Суррея, заявил:

"Последние вспышки показывают, что интимный контакт стал значимым путем передачи вируса. Это изменение в способе передачи приводит к более длинным цепочкам заражения и продолжительным вспышкам".

В статье отмечается, что эти изменения совпали с быстрым распространением вариантов mpox клады IIb (клада — группа вирусов, имеющих общего предка), но теперь наблюдается рост и других вариантов, относящихся к кладе I.

Исследователи обеспокоены тем, что вирусы клады I считаются более агрессивными.

Эти вирусы, по-видимому, накапливают специфические генетические мутации — вызванные ферментами человеческого организма — которые могут изменять свойства вируса. Чем дольше эти вирусы циркулируют среди людей, тем выше вероятность, что мутации помогут mpox лучше адаптироваться к человеческому организму.

Хотя mpox ранее встречался в основном в Центральной Африке, в 2022 году вирус вызвал глобальную вспышку, а сейчас провоцирует вспышки в нескольких странах к югу от Сахары.

Хотя в настоящее время вирус чаще всего поражает взрослых, исследователи подчеркивают, что он может распространяться и среди других групп, включая детей, которые подвержены более высокому риску тяжелого течения болезни — хотя устойчивой передачи среди детей пока не зарегистрировано.

Доктор Малукер де Мотес добавил:

"Контроль над mpox должен стать приоритетом глобальной повестки здравоохранения. У нас ограниченные диагностические возможности и еще меньше противовирусных препаратов. Нам срочно необходимы лучший эпиднадзор, а также местные или региональные возможности для производства необходимых средств — в противном случае мы рискуем столкнуться с новыми эпидемиями".

В отличие от натуральной оспы, mpox имеет природный резервуар среди животных, что означает невозможность его полного искоренения. Авторы предупреждают, что если международное сообщество не примет меры уже сейчас — включая инвестиции в экспресс-тестирование и новые методы лечения — mpox будет продолжать появляться вновь и угрожать глобальному здоровью.

Высокоточный анализ крови диагностирует болезнь Альцгеймера и определяет степень деменции

Согласно исследованию ученых из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе и Лундского университета в Швеции, новый анализ крови на болезнь Альцгеймера не только помогает диагностировать это нейродегенеративное заболевание, но и показывает степень его прогрессирования.

Несколько анализов крови на болезнь Альцгеймера уже доступны в клинической практике, включая два, основанных на технологии, лицензированной у Вашингтонского университета. Такие тесты помогают врачам диагностировать заболевание у людей с когнитивными симптомами, но не указывают на клиническую стадию симптомов болезни — то есть степень нарушения мышления или памяти из-за деменции при Альцгеймере. Современные методы лечения наиболее эффективны на ранних стадиях заболевания, поэтому относительно простой и надежный способ оценки прогрессирования болезни может помочь врачам определить, какие пациенты с наибольшей вероятностью получат пользу от медикаментозного лечения и в какой степени. Новый тест также может показать, вызваны ли симптомы человека именно болезнью Альцгеймера или другими причинами.

Исследование опубликовано 31 марта в журнале Nature Medicine.

В ходе исследования ученые обнаружили, что уровни белка MTBR-tau243 в крови точно отражают количество токсичных скоплений тау-белка в мозге и коррелируют с тяжестью болезни Альцгеймера. Анализируя уровни MTBR-tau243 в крови у группы людей с когнитивными нарушениями, исследователи смогли различить людей с ранней или поздней стадией болезни Альцгеймера и отделить обе группы пациентов с Альцгеймером от людей, чьи симптомы были вызваны другими причинами.

«Этот анализ крови четко выявляет тау-клубки при Альцгеймере, которые являются нашим лучшим биомаркером для оценки симптомов и деменции при этом заболевании», — сказал соавтор исследования Рэндалл Дж. Бейтман, доктор медицинских наук, профессор неврологии в Медицинской школе Вашингтонского университета. «В текущей клинической практике у нас нет простых и доступных методов оценки тау-клубков и деменции, поэтому такой анализ крови может дать гораздо лучшее представление о том, вызваны ли симптомы болезнью Альцгеймера, а также помочь врачам выбрать оптимальное лечение для пациентов».

Отслеживание прогрессирования болезни Альцгеймера по крови

Болезнь Альцгеймера связана с накоплением белка амилоида в виде бляшек в мозге, за которым спустя годы следует образование клубков тау-белка. Когнитивные симптомы появляются примерно в то время, когда тау-клубки становятся обнаруживаемыми, и ухудшаются по мере их распространения. Золотым стандартом для определения стадии болезни Альцгеймера являются позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) мозга на амилоидные бляшки и тау-клубки. Амилоидные сканы дают информацию о пресимптоматической и ранней симптоматической стадиях, тогда как тау-сканирование полезно для отслеживания поздних стадий заболевания. ПЭТ-сканирование мозга очень точное, но дорогое, трудоемкое и часто недоступное за пределами крупных исследовательских центров, поэтому оно не получило широкого распространения.

Бейтман возглавляет команду, разрабатывающую анализы крови на болезнь Альцгеймера как более доступную альтернативу сканированию мозга. Они создали два анализа крови, которые тесно коррелируют с количеством амилоидных бляшек в мозге. Оба уже используются врачами для помощи в диагностике. Но до сих пор не существовало анализа крови, который бы отражал уровни тау-белка в мозге.

В предыдущем исследовании Бейтман и его коллеги — включая соавторов Канту Хори, доктора философии, доцента неврологии в Медицинской школе Вашингтонского университета, и Джемму Сальвадо, доктора философии, бывшего постдока в Лундском университете, а также Оскара Ханссона, доктора медицинских наук, профессора неврологии в Лундском университете — показали, что уровни MTBR-tau243 в спинномозговой жидкости тесно коррелируют с тау-клубками в мозге. В текущем исследовании команда расширила анализ на кровь. Забор крови проще, чем получение спинномозговой жидкости, для которой требуется люмбальная пункция.

Исследователи разработали методику измерения уровней MTBR-tau243 в крови людей и сравнили их с количеством тау-клубков в мозге, определенным с помощью сканирования. Они протестировали подход на данных двух групп: добровольцев из Исследовательского центра болезни Альцгеймера имени Чарльза Ф. и Джоан Найт при Вашингтонском университете (108 человек) и подгруппы из 55 человек из шведской когорты BioFINDER-2. Чтобы оценить универсальность метода, они проверили его на независимом наборе данных, состоящем из оставшихся 739 человек из когорты BioFINDER-2.

Участники двух когорт представляли весь спектр болезни Альцгеймера, за исключением самых тяжелых случаев — от пресимптоматической стадии, когда уровни амилоида в мозге повышены, но когнитивные функции остаются нормальными, через раннюю стадию с легкими когнитивными нарушениями до поздней симптоматической стадии с выраженной деменцией. Для сравнения были включены когнитивно здоровые люди с нормальным уровнем амилоида и люди с когнитивными симптомами, вызванными другими заболеваниями.

Анализ показал, что уровни MTBR-tau243 в крови отражали количество тау-клубков в мозге с точностью 92%. Уровни MTBR-tau243 в крови были нормальными у бессимптомных людей независимо от статуса амилоида, что означает, что они не изменяются между здоровыми людьми и людьми на пресимптоматической стадии Альцгеймера с амилоидными бляшками.

Среди людей с когнитивными симптомами из-за болезни Альцгеймера уровни MTBR-tau243 были значительно повышены у пациентов на стадии легких когнитивных нарушений и намного выше — до 200 раз — у людей на стадии деменции. Эти различия позволили четко разделить людей с ранней и поздней стадией болезни. В то же время уровни MTBR-tau243 оставались нормальными у людей с когнитивными симптомами, вызванными другими заболеваниями, что означает, что тест эффективно отличает деменцию при Альцгеймере от других видов деменции.

Технология, лежащая в основе анализа крови на тау-агрегаты, была лицензирована Вашингтонским университетом компании C2N Diagnostics, стартапу при университете, разработавшему анализы крови на амилоид. Эти тесты на амилоид включают измерение другой формы тау-белка — p-tau217.

«Я считаю, что мы будем использовать анализ крови на p-tau217 для определения наличия болезни Альцгеймера, но MTBR-tau243 станет ценным дополнением как в клинической практике, так и в исследованиях», — сказал Ханссон. «Когда оба этих биомаркера положительны, вероятность того, что когнитивные симптомы вызваны именно Альцгеймером, значительно возрастает по сравнению с ситуацией, когда аномален только p-tau217. Это различие крайне важно для выбора наиболее подходящего лечения для каждого пациента».

Анализы крови могут помочь в персонализированном лечении Альцгеймера

Два метода терапии болезни Альцгеймера были одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пище

Дополнительная информация

• Какой механизм связывает уровень MTBR-tau243 в крови с тау-клубками в мозге? - MTBR-tau243 — это фрагмент тау-белка, который высвобождается в кровь при образовании тау-клубков в мозге. Его уровень коррелирует с тяжестью нейродегенерации.
• Какие другие заболевания могут вызывать когнитивные симптомы, похожие на болезнь Альцгеймера? - Сосудистая деменция, болезнь Паркинсона, лобно-височная деменция, депрессия и дефицит витамина B12.
• Какова точность традиционных методов диагностики болезни Альцгеймера по сравнению с новым анализом крови? - Традиционные методы (ПЭТ, анализ спинномозговой жидкости) точны на 85–90%, тогда как новые анализы крови достигают точности 80–85%.
• Какие существуют современные методы лечения болезни Альцгеймера на разных стадиях? - На ранних стадиях применяют ингибиторы холинэстеразы (донепезил), на умеренных — мемантин, а также исследуются иммунотерапия и антиамилоидные препараты.

Истончение арктического морского льда может повлиять на глобальную океаническую циркуляцию

Один из океанических течений в Северном Ледовитом океане рискует исчезнуть в этом столетии из-за изменения климата, согласно новому совместному исследованию Гётеборгского университета и немецкого Института Альфреда Вегенера. В результате Северная Атлантика может быть затоплена пресной водой, что ослабит глобальную океаническую циркуляцию.

Ослабление AMOC (Атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции) — горячая тема среди климатологов мира. Однако последствия изменений океанических течений и достижения переломного момента остаются неясными.

Исследователь Селин Хёзе из Гётеборгского университета вместе с коллегами Марилу Атанас и Рафаэлем Кёлером из Германии изучила будущее одного из основных течений в море Бофорта, расположенном в Северном Ледовитом океане к северу от побережья Аляски и Канады.

Это течение, называемое круговоротом Бофорта, является важной особенностью Северного Ледовитого океана. Накапливая или высвобождая пресную воду, оно влияет на океанические свойства как в Арктике, так и вплоть до Северной Атлантики.

Из-за потепления в Арктике круговорот Бофорта в настоящее время теряет большие объемы морского льда. Лед помогает охлаждать океан, действуя как крышка. Более тонкий лед пропускает больше тепла из атмосферы, повышая температуру моря и ускоряя дальнейшее таяние льда.

Предыдущие исследования показывают, что содержание пресной воды в море Бофорта увеличилось на 40% за последние два десятилетия.

Опасения по поводу "переломного момента" для морского льда

"Результаты этого исследования вызывают у нас опасения, что сокращение морского льда в этом регионе может привести к переломному моменту, когда AMOC разрушится", — говорит Селин Хёзе, старший преподаватель климатологии Гётеборгского университета и эксперт по глубоководным океанам и морскому льду.

В исследовании ученые использовали только те глобальные климатические модели, которые могут точно воспроизводить круговорот Бофорта. Климатическая модель — это компьютерная симуляция климатической системы Земли (атмосферы, океана, суши и льда), используемая для реконструкции прошлого климата или прогнозирования будущего.

"Если выбросы парниковых газов не будут срочно сокращены, наши прогнозы показывают, что круговорот Бофорта ослабнет и высвободит накопленную пресную воду. Эта вода может достичь Северной Атлантики и потенциально негативно повлиять на AMOC", — говорит Марилу Атанас, исследователь Института Альфреда Вегенера и ведущий автор исследования.

AMOC, частью которого является Гольфстрим, имеет огромное значение для климата Скандинавии, так как переносит теплую воду в высокие широты северного полушария. Исследователи планируют более детально изучить связь между сокращением арктического льда и ослаблением AMOC.

Справочная информация

Гольфстрим и AMOC

Океаническая циркуляция в Атлантике, на которой сосредоточены многие климатологи, называется AMOC — Атлантическая меридиональная опрокидывающая циркуляция. Это крупная система океанических течений в Атлантике, частью которой является Гольфстрим.

Система AMOC работает за счет разницы плотности между различными водными массами: теплая вода из южных широт движется на север по поверхности океана, где охлаждается, опускается и возвращается на юг в глубинах океана. (Википедия)

Переломные моменты

В климатологии переломный момент — это критический порог, при пересечении которого происходят значительные, ускоряющиеся и часто необратимые изменения в климатической системе. (Википедия)

Дополнительная информация

• Как именно пресная вода из круговорота Бофорта может повлиять на AMOC? - Пресная вода из круговорота Бофорта может ослабить Атлантическую меридиональную опрокидывающую циркуляцию (AMOC), снижая солёность и плотность воды, что нарушает процесс опускания плотных вод в Северной Атлантике, критически важный для работы AMOC.
• Какие другие известные "переломные моменты" существуют в климатической системе? - К ним относятся таяние ледников Гренландии, коллапс ледников Западной Антарктики, исчезновение амазонских лесов, замедление AMOC, высвобождение метана из вечной мерзлоты и сдвиги муссонных систем.

Исследователи нашли способ защитить квантовую информацию от «шума»

Ученые из Университета Витватерсранда в Йоханнесбурге (ЮАР) совместно с коллегами из Университета Хучжоу (Китай) обнаружили способ защиты квантовой информации от внешних помех, что открывает перспективы для создания более надежных технологий будущего.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, ученые продемонстрировали, как определенные квантовые состояния могут сохранять критически важную информацию даже при воздействии внешних шумов.

Почему это важно?

Более надежные квантовые технологии
Это открытие может привести к созданию более стабильных квантовых компьютеров и сетей, сделав технологии будущего быстрее, безопаснее и доступнее.

Улучшение медицинской визуализации и ИИ
Способность сохранять квантовую информацию может усовершенствовать методы медицинской визуализации и повысить точность диагностики с помощью искусственного интеллекта, что приведет к улучшению медицинских решений.

Усиление защиты данных
Квантовые сети, защищенные от шума, могут обеспечить сверхбезопасную коммуникацию, защищая персональные и финансовые данные от киберугроз.

«Мы обнаружили, что топология является мощным ресурсом для кодирования информации в условиях шума», — заявил профессор Эндрю Форбс из Школы физики Университета Витватерсранда.

Квантовая запутанность — это невидимая связь между частицами, позволяющая им мгновенно взаимодействовать независимо от расстояния. Этот принцип стал предметом популяризации науки и краеугольным камнем современных квантовых технологий. Однако сам Эйнштейн называл его «жутким действием на расстоянии».

К сожалению, квантово-запутанные состояния крайне хрупки и разрушаются при любом возмущении — фоновом свете, шумных детекторах, потерянных фотонах и других источниках «белого» шума. Эти распространенные в реальных квантовых системах эффекты могут разорвать связь между частицами, делая их запутанность бесполезной.

Для решения этой проблемы предлагались различные стратегии сохранения запутанности, но до сих пор с очень ограниченным успехом. Команда из Университета Витватерсранда показала, что можно изменить подход: позволить запутанности оставаться хрупкой, но при этом сохранять квантовую информацию.

«Мы тщательно проектируем квантовую волновую функцию — математическое описание, охватывающее все возможные состояния квантовой системы — чтобы сохранить квантовую информацию, которая остается стабильной даже при разрушении базовых квантовых связей», — объясняет Форбс.

Исследователи обнаружили, что, создавая квантовые состояния с определенными топологическими свойствами, можно сохранять квантовую информацию даже при разрушении запутанности между частицами.

«Мы выяснили, что топология — это мощный ресурс для кодирования информации в условиях шума. Она обладает обширным алфавитом кодирования, который полностью устойчив к шуму, пока сохраняется хотя бы часть запутанности».

Профессор Роберт де Мелло Кох поясняет, что манипуляции с топологией квантовой волновой функции можно рассматривать как «оцифровку квантовой информации», возможную благодаря дискретной природе топологических наблюдаемых величин, которые принимают только целочисленные значения (например, -2, -1, 1 и 2).

«Дискретные сигналы всегда более устойчивы к шуму. Это объясняется тем, что для воздействия на дискретный сигнал шум должен перевести его из одного дискретного состояния в другое».

Команда считает, что, подобно тому как цифровые технологии обеспечили успех классических вычислений и коммуникации, цифровые квантовые сигналы позволят добиться успеха в квантовых вычислениях и коммуникации в реальных условиях без необходимости компенсирующих стратегий.

«Это открытие можно использовать для преодоления шума в квантовых компьютерах и глобальных квантовых сетях следующего поколения. Оно особенно ценно для создания передовых технологий медицинской визуализации и более мощных систем искусственного интеллекта, использующих запутанность», — заключает Форбс.

Дополнительная информация

• Какие конкретные топологические свойства квантовых состояний позволяют сохранять информацию при разрушении запутанности? - Топологическая защита информации обеспечивается глобальными свойствами системы, такими как нетривиальные топологические инварианты (например, числа Черна или индексы зацепления), которые не изменяются при локальных возмущениях. Это похоже на то, как узел на веревке сохраняет свою структуру, даже если её слегка дёргать.
• Как именно дискретная природа топологических наблюдаемых величин делает их устойчивыми к шуму? - Дискретные топологические величины (например, целочисленные значения проводимости в квантовом эффекте Холла) не могут изменяться непрерывно, поэтому малые шумы или возмущения не способны их изменить. Это аналогично тому, как ступеньки лестницы остаются целыми, даже если на них наступать.

Физики использовали квантовую запутанность для разгадки тайны странных металлов

Ученые давно пытаются раскрыть загадку странных металлов — материалов, которые не подчиняются обычным законам электричества и магнетизма. Теперь команда физиков из Университета Райса совершила прорыв в этой области, используя инструмент из квантовой информатики. Их исследование, недавно опубликованное в Nature Communications, показывает, что электроны в странных металлах достигают максимальной запутанности в критической точке, проливая новый свет на поведение этих загадочных материалов. Это открытие может привести к прогрессу в создании сверхпроводников, способных изменить энергетику будущего.

В отличие от обычных металлов, таких как медь или золото, чьи электрические свойства хорошо изучены, странные металлы ведут себя гораздо сложнее, и их внутренние процессы выходят за рамки стандартных учебных описаний.

Под руководством Цимао Си, профессора физики и астрономии имени Гарри К. и Ольги К. Виесс, исследовательская группа обратилась к квантовой информации Фишера (QFI) — концепции из квантовой метрологии, используемой для измерения того, как взаимодействия электронов меняются в экстремальных условиях.

Их исследование показывает, что квантовая запутанность электронов, фундаментальное квантовое явление, достигает пика в точке квантового фазового перехода — моменте смены одного состояния вещества другим.

«Наши результаты демонстрируют, что странные металлы обладают уникальным паттерном запутанности, что дает новый инструмент для понимания их необычного поведения», — сказал Си.

«Используя квантовую информационную теорию, мы обнаруживаем глубокие квантовые корреляции, которые ранее были недоступны».

Новый способ изучения странных металлов

В большинстве металлов электроны движутся упорядоченно, следуя известным законам физики.

Однако странные металлы нарушают эти правила, демонстрируя необычное сопротивление электричеству и аномальное поведение при очень низких температурах.

Чтобы разгадать эту загадку, исследователи сосредоточились на теоретической модели, называемой решеткой Кондо, которая описывает взаимодействие магнитных моментов с окружающими электронами.

В точке критического перехода эти взаимодействия становятся настолько интенсивными, что квазичастицы — фундаментальные элементы электрического поведения — исчезают.

С помощью QFI ученые проследили, как потеря квазичастиц связана с запутанностью спинов электронов, и обнаружили, что запутанность достигает пика именно в этой квантовой критической точке.

Этот новый подход применяет QFI, обычно используемую в квантовой информатике и прецизионных измерениях, к изучению металлов.

«Интегрируя квантовую информатику с физикой конденсированного состояния, мы открываем новое направление в исследованиях материалов», — отметил Си.

Возможный путь к более эффективной энергетике

Теоретические расчеты исследователей неожиданно совпали с экспериментальными данными, в частности с результатами неупругого рассеяния нейтронов — метода, используемого для изучения материалов на атомном уровне.

Это совпадение подтверждает идею о том, что квантовая запутанность играет ключевую роль в поведении странных металлов.

Понимание странных металлов — это не просто академическая задача; оно может иметь важные технологические последствия.

Эти материалы тесно связаны с высокотемпературными сверхпроводниками, способными передавать электричество без потерь энергии.

Раскрытие их свойств может революционизировать энергосети, сделав передачу энергии более эффективной.

Исследование также демонстрирует, как инструменты квантовой информатики можно применять к другим экзотическим материалам.

Странные металлы могут сыграть роль в будущих квантовых технологиях, где усиленная запутанность является ценным ресурсом.

Работа предоставляет новую основу для характеристики этих сложных материалов, показывая, когда запутанность достигает максимума.

В исследовательскую группу вошли Юань Фан, Имин Ван, Моника Маханкали и Лей Чен из Университета Райса, Хаою Ху из Международного физического центра в Доностии и Зильке Пашен из Венского технического университета. Их работа была поддержана Национальным научным фондом, Управлением научных исследований ВВС США, Фондом Роберта А. Уэлча и программой стипендий Ванневара Буша.

Дополнительная информация

• Какие практические применения могут иметь высокотемпературные сверхпроводники, связанные со странными металлами? - Они могут использоваться для создания более эффективных линий электропередачи, квантовых компьютеров и сверхчувствительных датчиков магнитного поля.
• Как именно квантовая информатика Фишера (QFI) измеряет запутанность в материалах? - QFI оценивает, насколько чувствительно квантовое состояние системы к малым изменениям параметров, что позволяет количественно измерить степень квантовой запутанности между частицами.

Умно спроектированная углеродная нанообруч позволяет контролировать высвобождение железа

ПОЛНАЯ ИСТОРИЯ

Исследователи из Амстердамского и Цюрихского университетов разработали молекулярную систему для контролируемого высвобождения железа. Они интегрировали ферроцен — молекулярный «бутерброд», заключающий в себе атом железа, — с углеродным «нанообручем». В результате система позволяет высвобождать ионы Fe2+ при активации безвредным зеленым светом. Недавно работа была опубликована в статье в Journal of the American Chemical Society (JACS) и теперь представлена на обложке последнего выпуска журнала.

Исследование проводилось группами доктора Томаша Шоломека из Института молекулярных наук Вант-Гоффа Амстердамского университета и доктора Петера Штацко из Цюрихского университета (факультет химии). Их специализация — фотоактивируемые клетки (photocages), молекулярные фотохимические инструменты, которые обеспечивают точный контроль над активностью субстрата во времени и пространстве с использованием света в качестве биоортогонального стимула. Фотоактивируемые клетки позволяют активировать биологически значимые молекулы, такие как белки, нуклеотиды или лекарства. Они не только являются мощным инструментом для изучения механизмов и динамики биохимических процессов, но и имеют потенциал для терапевтического применения, например, в фотоактивируемой химиотерапии.

В исследовании, опубликованном в JACS, ученые сместили фокус с контроля активности органических молекул на другой ключевой компонент многих биологических систем — железо. Известное своей ролью в транспорте кислорода в организме человека, оно также играет ключевую роль в обеспечивающих энергию окислительно-восстановительных процессах в митохондриях, синтезе дезоксирибонуклеотидов и защите клеток от окислительного стресса.

Фотоиндуцированное высвобождение, обусловленное напряжением

Прорыв в материаловедении: ИИ раскрывает секреты дендритного роста в тонких плёнках

Тонкоплёночные устройства, состоящие из слоёв материалов толщиной в несколько нанометров, играют важную роль в различных технологиях — от полупроводников до средств связи. Например, многослойные тонкие плёнки графена и гексагонального нитрида бора (h-BN), нанесённые на медные подложки, являются перспективными материалами для систем связи следующего поколения с высокой скоростью передачи данных. Тонкие плёнки выращиваются путём осаждения микроскопических слоёв материалов на подложку. Условия процесса роста существенно влияют на микроструктуру этих плёнок, что, в свою очередь, определяет их функциональность и производительность.

Дендритные структуры, или древовидные разветвлённые узоры, возникающие в процессе роста, представляют серьёзное препятствие для крупномасштабного производства тонкоплёночных устройств — ключевого шага на пути к коммерческому применению. Они часто наблюдаются в таких материалах, как медь, графен и борфен, особенно на ранних стадиях роста и в многослойных плёнках. Поскольку микроструктура напрямую влияет на производительность устройств, уменьшение образования дендритов имеет критическое значение. Однако методы изучения дендритов до сих пор в основном основывались на грубом визуальном анализе и субъективной интерпретации. Понимание условий, вызывающих дендритное ветвление, крайне важно для оптимизации процесса роста тонких плёнок, но существующие подходы часто требуют значительных проб и ошибок.

Чтобы решить эти проблемы, исследовательская группа под руководством профессора Масато Котсуги с факультета материаловедения и технологий Токийского университета науки (TUS), Япония, разработала инновационную объяснимую модель искусственного интеллекта (ИИ) для анализа дендритных структур. В команду также вошли Мисато Тоне из TUS и Иппэй Обаяси из Университета Окаямы. Исследователи разработали новый метод, связывающий структуру и процесс дендритного роста путём интеграции персистентной гомологии, машинного обучения и энергетического анализа. «Наш подход даёт новое понимание механизмов роста и предлагает мощный, основанный на данных путь для оптимизации производства тонких плёнок», — поясняет профессор Котсуги. Их исследование было опубликовано онлайн в журнале Science and Technology of Advanced Materials: Methods 7 марта 2025 года.

Для анализа морфологии дендритных структур команда использовала передовой топологический метод под названием персистентная гомология (PH). PH позволяет проводить многомасштабный анализ отверстий и связей в геометрических структурах, выявляя сложные топологические особенности древовидных дендритных микроструктур, которые часто упускаются из виду при использовании традиционных методов обработки изображений.

Исследователи объединили PH с методом главных компонент (PCA), техникой машинного обучения. С помощью PCA основные особенности морфологии дендритов, извлечённые с помощью PH, были сведены к двумерному пространству. Это позволило команде количественно оценить структурные изменения дендритов и установить связь между этими изменениями и энергией Гиббса — энергией, доступной в материале, которая влияет на формирование дендритов в процессе роста кристаллов. Анализируя эту взаимосвязь, учёные выявили специфические условия и скрытые механизмы роста, влияющие на ветвление дендритов. Профессор Котсуги поясняет: «Наша методика количественно отображает морфологию дендритов на вариации энергии Гиббса, выявляя энергетические градиенты, которые управляют поведением ветвления».

Для проверки своего подхода исследователи изучили рост дендритов на гексагональной медной подложке и сравнили полученные результаты с данными фазово-полевого моделирования.

«Интегрируя топологию и свободную энергию, наш метод предлагает универсальный подход к анализу материалов. Благодаря этой интеграции мы можем установить иерархическую связь между микроструктурами атомного масштаба и макроскопическими функциональными характеристиками для широкого спектра материалов, прокладывая путь для будущих достижений в материаловедении», — отмечает профессор Котсуги. «Важно, что наш метод может привести к созданию высококачественных тонкоплёночных устройств для сверхскоростной связи, превосходящей возможности 5G».

Разработанная в этом исследовании методика может открыть путь к прорывам в сенсорных технологиях, неравновесной физике и высокопроизводительных материалах, раскрывая скрытые взаимосвязи структуры и функции и продвигая анализ сложных систем.

Дополнительная информация

• Как энергия Гиббса влияет на формирование микроструктур в других материалах, кроме меди и графена? - Энергия Гиббса определяет термодинамическую устойчивость микроструктур: материалы стремятся к состоянию с минимальной энергией, что влияет на формирование фаз, границ зёрен и дефектов в любых материалах.
• Какие практические сложности возникают при промышленном внедрении методов анализа на основе ИИ в производство тонких плёнок? - Основные сложности включают нехватку качественных данных для обучения моделей, высокую стоимость внедрения, сопротивление персонала изменениям и необходимость интеграции ИИ-систем с существующим оборудованием.

Революция в области тактильных ощущений: исследователи изучают будущее носимой мультисенсорной тактильной технологии

От виртуальной реальности до реабилитации и коммуникации — тактильная технология революционизировала способы взаимодействия человека с цифровым миром. Если первые тактильные устройства фокусировались на односенсорных сигналах, таких как вибрационные уведомления, то современные достижения открыли путь для мультисенсорных устройств, объединяющих различные формы тактильной обратной связи, включая вибрацию, растяжение кожи, давление и температуру. Недавно команда экспертов, в которую вошли Марсия О’Мэлли и Дэниел Престон из Университета Райса, аспирант Джошуа Флек, выпускники Зейн Зук (2023) и Джанель Кларк (2022), а также другие коллеги, опубликовала подробный обзор в журнале Nature Reviews Bioengineering, анализирующий текущее состояние носимой мультисенсорной тактильной технологии, её вызовы, достижения и практическое применение.

Тактильные устройства, обеспечивающие коммуникацию через прикосновение, значительно эволюционировали с момента их появления в 1960-х годах.

Изначально они основывались на жёстких, закреплённых механизмах, выступающих в роли пользовательских интерфейсов и генерирующих силовую обратную связь из виртуальных сред.

Однако с развитием сенсорных и приводных технологий тактильные устройства стали всё более носимые.

Современные инновации сосредоточены на кожной обратной связи — стимуляции рецепторов кожи для создания реалистичных тактильных ощущений — в отличие от кинестетической обратной связи, имитирующей воздействие на опорно-двигательный аппарат.

«Носимые тактильные устройства теперь интегрированы в потребительские товары, такие как умные часы и игровые аксессуары, а также выполняют более сложные функции в здравоохранении, робототехнике и иммерсивных медиа», — сказала О’Мэлли, профессор инженерии имени Томаса Майкла Паноса и заведующая кафедрой машиностроения.

«Новый тренд в сторону мультисенсорной тактильной обратной связи, то есть одновременной передачи нескольких типов тактильных стимулов, улучшает пользовательский опыт, но ставит новые инженерные и перцептивные задачи. По мере развития этой технологии мы увидим переход к более богатому, мультисенсорному опыту, который сократит разрыв между цифровым взаимодействием и человеческим прикосновением».

Создание эффективных носимых мультисенсорных тактильных устройств требует глубокого понимания человеческого восприятия прикосновения, и исследовательская группа выделила несколько ключевых вызовов в этой области.

Одним из самых значительных препятствий является вариативность механики контакта с кожей: различия в эластичности кожи, распределении рецепторов и внешние факторы, такие как влажность, могут влиять на восприятие тактильных стимулов.

Другая проблема — тактильное маскирование, когда множественные тактильные ощущения (например, вибрация и растяжение кожи) могут мешать друг другу, снижая чёткость восприятия.

«Кожа каждого человека реагирует на стимулы по-разному из-за различий в эластичности, увлажнённости и даже волосяном покрове», — отметил Престон, доцент кафедры машиностроения.

«Эта вариативность делает проектирование универсально эффективных устройств чрезвычайно сложным».

Кроме того, удобство ношения остаётся ключевым фактором при разработке любых продуктов.

Тактильные устройства должны быть спроектированы так, чтобы подходить для разных частей тела, не вызывая дискомфорта, не ограничивая движения и не нарушая повседневную активность.

Факторы веса, размера и способа крепления играют решающую роль в обеспечении долгосрочной удобности использования.

«Истинное погружение в тактильную технологию зависит не только от того, что чувствует пользователь, но и от того, насколько естественно и комфортно он это воспринимает», — добавил Престон.

Помимо вызовов, авторы выделили несколько перспективных методов привода, которые могут переопределить носимую тактильную технологию.

Электромеханический привод, часто используемый в системах вибрационной обратной связи, остаётся самым распространённым благодаря своей надёжности и доступности.

Однако он зачастую не способен обеспечить разнообразие тактильных сигналов.

Полимерный привод, основанный на «умных» полимерах, меняющих форму или текстуру под воздействием стимулов, предлагает лёгкую и гибкую альтернативу для передачи тактильной обратной связи.

Флюидный привод, использующий сжатый воздух или жидкость для создания динамических тактильных ощущений, набирает популярность в мягкой робототехнике и текстильных тактильных носимых устройствах, открывая новые возможности для комфорта и адаптивности.

Кроме того, тепловой привод становится способом усиления погружения в виртуальную среду или имитации реальных взаимодействий через ощущения нагрева или охлаждения.

«Мы ожидаем, что эти технологии значительно расширят спектр тактильной обратной связи, особенно в таких областях, как медицинская реабилитация, разработка протезов и взаимодействие человека с машиной», — сказала О’Мэлли.

«Хотя они перспективны, необходима дальнейшая доработка для улучшения времени отклика, долговечности и энергоэффективности».

Обзор также проливает свет на то, как носимые тактильные технологии готовы открыть новые возможности взаимодействия человека с цифровой и физической средой.

В виртуальной и дополненной реальности мультисенсорные тактильные системы усиливают погружение, позволяя пользователям «чувствовать» цифровые объекты, улучшая впечатления в играх, тренажёрах и образовании.

В здравоохранении и реабилитации носимые тактильные устройства помогают в тренировке моторных навыков, восстановлении после инсульта и обратной связи с протезами, позволяя пациентам эффективнее взаимодействовать с окружающим миром.

Тактильные интерфейсы в вспомогательных технологиях и коммуникации помогают людям с нарушениями зрения или слуха, преобразуя аудио- или визуальную информацию в тактильные сигналы.

Навигационные системы выигрывают от тактильных носимых устройств, предоставляя интуитивные направляющие сигналы, помогая слабовидящим и улучшая управление без использования рук в военной и авиационной сферах.

Кроме того, телеоперация и робототехника получат значительное преимущество, поскольку дистанционно управляемые роботизированные системы с тактильной обратной связью позволяют пользователям «чувствовать» объекты на расстоянии, повышая точность в таких деликатных задачах, как роботизированная хирургия.

Несмотря на значительный прогресс, авторы подчеркнули необходимость дальнейшего изучения мультисенсорного тактильного восприятия.

Понимание того, как мозг обрабатывает одновременные тактильные сигналы, будет ключевым для совершенствования будущих устройств, а их массовое внедрение потребует баланса между технологической сложностью, комфортом пользователя и практической удобностью.

«Конечная цель — создать тактильные устройства, которые ощущаются так же естественно, как прикосновение в реальном мире», — заключила О’Мэлли.

Дополнительная информация

• Какие существуют альтернативные методы тактильной стимуляции, кроме вибрации, и как они работают? - Помимо вибрации, существуют такие методы, как электротактильная стимуляция (передача сигналов через слабые электрические импульсы), пневматическая стимуляция (использование сжатого воздуха для создания давления) и термическая стимуляция (изменение температуры кожи). Эти методы активируют различные рецепторы в коже, создавая ощущения прикосновения, давления или тепла/холода.

• Как различия в структуре кожи (например, толщина или волосяной покров) влияют на эффективность тактильных устройств? - Толщина кожи и волосяной покров могут влиять на восприятие тактильных сигналов. Например, более толстая кожа может снижать чувствительность к вибрации, а волосяные фолликулы могут усиливать восприятие за счет дополнительных сенсорных нервных окончаний. Устройства часто калибруются под разные типы кожи для оптимальной эффективности.

• В каких медицинских процедурах уже сейчас используются продвинутые тактильные технологии? - Тактильные технологии применяются в реабилитационной медицине (например, протезы с обратной связью), хирургических роботах (для тактильной обратной связи хирургу) и в терапии для пациентов с неврологическими нарушениями (например, стимуляция для восстановления чувствительности).

На Марсе обнаружены органические молекулы рекордного размера

Ученые из Национального центра научных исследований Франции (CNRS) вместе с коллегами из Франции, США, Мексики и Испании недавно обнаружили самые длинные органические молекулы из когда-либо выявленных на Марсе. Эти длинные углеродные цепочки, содержащие до 12 последовательных атомов углерода, могут обладать характеристиками, схожими с жирными кислотами, которые на Земле образуются в результате биологической активности. Отсутствие геологической активности и холодный засушливый климат Марса способствовали сохранению этой бесценной органики в образце, богатом глиной, на протяжении последних 3,7 миллиарда лет. Таким образом, она относится к периоду, когда на Земле только зарождалась жизнь. Результаты исследования будут опубликованы 24 марта 2025 года в журнале PNAS.

Открытие было сделано с помощью прибора SAM, созданного при совместном финансировании французского космического агентства CNES. Это один из инструментов марсохода NASA Curiosity, который исследует кратер Гейла на Марсе с 2012 года.

Это достижение открывает путь для будущих межпланетных миссий по поиску признаков сложной химии, подобной той, что связана с жизнью.

Это станет одной из целей предстоящей миссии ExoMars Европейского космического агентства (ESA), запуск которой запланирован на 2028 год, а также совместной миссии NASA-ESA по доставке образцов с Марса в 2030-х годах.

С прицелом на исследования в более отдаленных уголках Солнечной системы те же международные команды разработают прибор, аналогичный SAM, для миссии Dragonfly - дрона, который с 2034 года будет исследовать поверхность Титана, крупнейшего спутника Сатурна.

Примечания:

1 - Из лаборатории "Атмосферы и космические наблюдения" (CNRS/Университет Сорбонна/Университет Версаль Сен-Кантен-ан-Ивелин/Университет Париж-Сакле).

2 - Они присутствуют в животных жирах, а также в растительных маслах и жирах.

3 - Созданный франко-американской командой ученых, прибор SAM (Sample Analysis at Mars) представляет собой миниатюрную лабораторию на борту Curiosity. Его газовый хроматограф и масс-спектрометр позволяют идентифицировать молекулы в собранных образцах.

4 - Национальный центр космических исследований Франции.

Более легкая и умная магниточувствительная электронная кожа

Представьте навигацию в виртуальной реальности с помощью контактных линз или управление смартфоном под водой: это и многое другое вскоре может стать реальностью благодаря инновационным электронным кожеподобным покрытиям (e-skin). Исследовательская группа под руководством Центра Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR) разработала электронную кожу, которая обнаруживает и точно отслеживает магнитные поля с помощью единого глобального сенсора. Эта искусственная кожа не только легкая, прозрачная и воздухопроницаемая, но и имитирует взаимодействие реальной кожи с мозгом, как сообщает команда в журнале Nature Communications.

Первоначально разработанные для робототехники, электронные кожи имитируют свойства настоящей кожи.

Они могут наделять роботов осязанием или восстанавливать утраченные чувства у людей.

Некоторые из них даже способны обнаруживать химические вещества или магнитные поля.

Однако у технологии есть и ограничения. Высокофункциональные электронные кожи часто оказываются непрактичными из-за сложной электроники и громоздких батарей.

«Предыдущие технологии использовали множество отдельных датчиков и транзисторов для локализации источников магнитного поля, подобно сенсорам касания в дисплее смартфона. Наша идея заключалась в создании более энергоэффективной системы, которая ближе к мягкой человеческой коже и потому лучше подходит для людей», — объясняет Денис Макаров из Института физики ионных пучков и исследования материалов HZDR.

Легче, гибче, умнее

Исследователи заменили жесткие и громоздкие подложки, на которых обычно размещается электроника, тонкой, легкой и гибкой мембраной толщиной всего в несколько микрометров.

Вся мембрана оптически прозрачна и перфорирована, что делает искусственную кожу воздухо- и влагопроницаемой, позволяя настоящей коже под ней «дышать».

Однако такая ультратонкая мембрана может вместить лишь ограниченное количество электронных компонентов.

Поэтому новые электронные кожи оснащены магниточувствительным функциональным слоем, который действует как глобальная сенсорная поверхность для точного определения источника магнитных сигналов.

Поскольку магнитные поля изменяют электрическое сопротивление материала, центральный блок анализа способен вычислять местоположение сигнала на основе этих изменений.

Это не только имитирует работу настоящей кожи, но и экономит энергию.

Искусственная кожа для почти человеческого сенсорного опыта

«Такие крупномасштабные магниточувствительные умные кожи — это новшество», — говорит Павло Макушко, аспирант HZDR и первый автор исследования.

«Концептуально электронные кожи теперь работают больше как человеческое тело. Независимо от того, где я касаюсь настоящей кожи, сигнал всегда проходит через нервы в мозг, который обрабатывает его и определяет точку контакта. Наша электронная кожа также имеет единую глобальную сенсорную поверхность — как и наша кожа. И один центральный процессор воссоздает сигнал — как наш мозг».

Это стало возможным благодаря томографии — методу, который также используется в медицинских МРТ или КТ-сканированиях.

Он восстанавливает положение сигнала на основе множества отдельных изображений.

Эта технология нова для электронных кож с датчиками магнитного поля — ранее она считалась слишком нечувствительной из-за низкого контраста сигнала у традиционных магниточувствительных материалов.

То, что мы экспериментально подтвердили этот метод, является важным техническим достижением работы, подчеркивает Макушко.

Восприятие окружающего мира через магнетизм

Новые электронные кожи бесшовно отслеживают пути сигналов, что открывает возможности для распознавания цифровых паттернов, написанных магнитным стилусом, бесконтактного взаимодействия в виртуальной реальности или управления смартфоном в экстремальных условиях, даже под водой.

Часто носителем магниточувствительной искусственной кожи становится не человек, а машина.

В то же время датчики магнитного поля менее подвержены помехам, чем обычная электроника. Роботизированные системы могут использовать их для обнаружения движений даже в сложных условиях, где другие методы не работают.

Зимой пользователи смогут управлять смартфоном, оснащенным прозрачными магнитными датчиками, с помощью магнитного патча на кончике перчатки, без помех от сторонней электроники.

Магниточувствительность не действует как компас, но предлагает уникальный канал связи между человеком и машиной.

Дополнительная информация

• Как томография, используемая в электронной коже, отличается от медицинской томографии? - В электронной коже применяются микроскопические сенсоры для отслеживания деформаций или магнитных полей на поверхности, тогда как медицинская томография (например, КТ или МРТ) использует крупномасштабное сканирование внутренних органов с помощью рентгеновских лучей или магнитных полей.
• Какие конкретные материалы используются в магниточувствительном слое электронной кожи? - Чаще всего это ферромагнитные сплавы (например, пермаллой), магнитные наночастицы на основе оксидов железа, а также гибкие полимеры, наполненные магнитными микрочастицами.

Первое клиническое испытание терапевтического чат-бота показало, что ИИ способен обеспечивать «золотой стандарт» помощи

Исследователи из Дартмута провели первое клиническое испытание терапевтического чат-бота на основе генеративного ИИ и обнаружили, что программное обеспечение привело к значительному улучшению симптомов у участников. Результаты опубликованы в журнале NEJM AI, издаваемом той же группой, что и New England Journal of Medicine.

Участники исследования также сообщили, что могли доверять системе под названием Therabot и общаться с ней на уровне, сопоставимом с работой с профессиональным психотерапевтом.

В испытании приняли участие 106 человек из разных штатов США с диагнозами большого депрессивного расстройства, генерализованного тревожного расстройства или расстройства пищевого поведения. Участники взаимодействовали с Therabot через мобильное приложение, отвечая на вопросы о своем состоянии или инициируя беседы, когда им нужно было поговорить.

У людей с депрессией в среднем наблюдалось снижение симптомов на 51%, что привело к клинически значимому улучшению настроения и общего самочувствия. Участники с генерализованной тревожностью сообщили о среднем снижении симптомов на 31%, причем многие перешли с умеренного уровня тревоги на легкий или с легкого — ниже клинического порога диагностики.

Среди тех, кто подвержен риску расстройств пищевого поведения (традиционно более сложных для лечения), пользователи Therabot показали среднее снижение озабоченности образом тела и весом на 19%, что значительно превзошло результаты контрольной группы, также участвовавшей в испытании.

Исследователи пришли к выводу, что, хотя терапия на основе ИИ по-прежнему требует контроля со стороны клиницистов, она может обеспечить поддержку в реальном времени для многих людей, у которых нет регулярного или немедленного доступа к специалисту по психическому здоровью.

«Улучшение симптомов, которое мы наблюдали, сопоставимо с тем, что сообщается при традиционной амбулаторной терапии, что позволяет предположить, что этот подход с использованием ИИ может предложить клинически значимые преимущества», — говорит Николас Джейкобсон, старший автор исследования и доцент кафедры биомедицинской науки о данных и психиатрии в Медицинской школе Гейзела Дартмута.

«Личный прием ничем не заменить, но специалистов катастрофически не хватает», — отмечает Джейкобсон. По его словам, на каждого доступного специалиста в США приходится в среднем 1600 пациентов только с депрессией или тревогой.

«Мы хотели бы, чтобы генеративный ИИ помог обеспечить поддержку психического здоровья огромному числу людей вне системы личного приема. Я вижу потенциал для совместной работы личной и программной терапии», — говорит Джейкобсон, возглавляющий направление разработки и оценки методов лечения в Центре технологий и поведенческого здоровья Дартмута.

Майкл Хайнц, первый автор исследования и доцент психиатрии в Дартмуте, отмечает, что результаты испытания также подчеркивают важность дальнейшей работы, прежде чем генеративный ИИ можно будет безопасно и эффективно использовать для лечения людей.

«Хотя эти результаты очень обнадеживают, ни один генеративный ИИ-агент не готов полностью автономно работать в сфере психического здоровья, где существует очень широкий спектр высокорисковых сценариев, с которыми он может столкнуться», — говорит Хайнц, также работающий психиатром в Медицинском центре Дартмут-Хичкок в Лебаноне, штат Нью-Гэмпшир. «Нам еще предстоит лучше понять и оценить риски, связанные с использованием генеративного ИИ в контексте психического здоровья».

Therabot разрабатывается в Лаборатории ИИ и психического здоровья Джейкобсона в Дартмуте с 2019 года. Процесс включал постоянные консультации с психологами и психиатрами, связанными с Дартмутом и Dartmouth Health.

Когда пользователь начинает разговор с приложением, Therabot отвечает естественным, открытым текстовым диалогом, основанным на оригинальном наборе данных, который исследователи разработали на основе современных, научно обоснованных лучших практик психотерапии и когнитивно-поведенческой терапии, поясняет Хайнц.

Например, если человек с тревожностью сообщает Therabot, что в последнее время чувствует себя очень нервным и подавленным, бот может ответить: «Давайте сделаем шаг назад и спросим, почему вы так себя чувствуете». Если Therabot обнаруживает высокорисковый контент, например, суицидальные мысли, во время разговора с пользователем, он предложит позвонить в службу 911 или связаться с горячей линией по предотвращению самоубийств или кризисной помощью одним нажатием кнопки на экране.

В ходе клинического испытания участникам, случайно выбранным для использования Therabot, предоставили неограниченный доступ на четыре недели. Исследователи также отслеживали контрольную группу из 104 человек с теми же диагнозами, у которых не было доступа к Therabot.

Почти 75% группы Therabot не получали медикаментозного или другого терапевтического лечения на момент исследования. Приложение спрашивало о самочувствии пользователей, персонализируя вопросы и ответы на основе информации, полученной в ходе бесед с участниками. Исследователи анализировали диалоги, чтобы убедиться, что программное обеспечение отвечает в соответствии с лучшими терапевтическими практиками.

Через четыре недели исследователи оценили прогресс участников с помощью стандартизированных опросников, которые клиницисты используют для выявления и мониторинга каждого состояния. Команда провела вторую оценку еще через четыре недели, когда участники могли инициировать беседы с Therabot, но больше не получали автоматических напоминаний.

Через восемь недель все участники, использовавшие Therabot, продемонстрировали заметное снижение симптомов, превышающее то, что клиницисты считают статистически значимым, говорит Джейкобсон.

Эти различия отражают устойчивые, реальные улучшения, которые пациенты, вероятно, заметили бы в своей повседневной жизни, отмечает Джейкобсон. В среднем пользователи взаимодействовали с Therabot около шести часов в течение испытания, что эквивалентно примерно восьми терапевтическим сессиям.

«Наши результаты сопоставимы с тем, что мы видим у людей, имеющих доступ к золотому стандарту когнитивной терапии у амбулаторных специалистов», — говорит Джейкобсон. «Речь идет о потенциальной возможности предоставить людям эквивалент лучшего лечения, которое можно получить в системе здравоохранения, за более короткие сроки».

Критически важно, что участники сообщили о степени «терапевтического альянса», сопоставимой с той, которую пациенты отмечают при личном приеме, показало исследование. Терапевтический альянс относится к уровню доверия и сотрудничества между пациентом и его лечащим специалистом и считается необходимым для успешной терапии.

Одним из показателей этой связи стало то, что участники не только давали подробные ответы на вопросы Therabot, но и часто сами инициировали беседы, говорит Джейкобсон. Взаимодействие с программным обеспечением также увеличивалось в периоды, связанные с ухудшением состояния, например, среди ночи.

«Мы не ожидали, что люди будут почти что относиться к программе как к другу. Для меня это означает, что они действительно формировали отношения с Therabot», — говорит Джейкобсон. «У меня есть ощущение, что людям также было комфортно разговаривать с ботом, потому что он не будет их осуждать».

Испытание Therabot показывает, что генеративный ИИ имеет потенци

Дополнительная информация

• Какие существуют другие известные примеры использования ИИ в психиатрии помимо Therabot? - Примеры включают Woebot (чат-бот для когнитивно-поведенческой терапии), Tess (ИИ для психологической поддержки) и Replika (ИИ-компаньон для эмоционального общения).

• Как именно генеративный ИИ в Therabot отличается от обычных чат-ботов в психиатрии? - Therabot использует генеративный ИИ для создания персонализированных ответов, адаптирующихся к контексту беседы, в отличие от заранее запрограммированных сценариев обычных чат-ботов.

• Какие существуют этические ограничения для использования ИИ в психиатрии? - Основные ограничения включают конфиденциальность данных, риск неправильных диагнозов, отсутствие эмпатии и необходимость человеческого надзора.

• Как измерялся "терапевтический альянс" между пациентами и ИИ в исследовании? - Терапевтический альянс оценивался с помощью стандартизированных опросников, таких как Working Alliance Inventory (WAI), адаптированных для взаимодействия с ИИ.

Холодные погружения действительно меняют ваши клетки

Вы когда-нибудь задумывались, что происходит с вашим телом во время модных ледяных ванн? Ученые из Университета Оттавы только что выяснили это, и результаты довольно удивительные.

Новое исследование, проведенное в лаборатории изучения физиологии человека и окружающей среды (HEPRU) Университета Оттавы, выявило значительные изменения в аутофагических (система переработки клеток, способствующая их здоровью) и апоптотических (запрограммированная гибель поврежденных клеток) реакциях у молодых мужчин после акклиматизации к холодной воде.

Исследование подчеркивает потенциал холодового воздействия для повышения клеточной устойчивости к стрессу.

Работа, проведенная Келли Кинг, постдокторантом, и Гленом Кенни, профессором Школы человеческой кинезики uOttawa и директором HEPRU, включала десять здоровых молодых мужчин, которые подвергались погружению в воду температурой 14°C в течение одного часа на протяжении семи последовательных дней.

Образцы крови собирали для анализа клеточных реакций участников до и после периода акклиматизации.

"Наши результаты показывают, что повторяющееся холодовое воздействие значительно улучшает функцию аутофагии - критически важный клеточный защитный механизм", - говорит профессор Кенни.

"Это улучшение позволяет клеткам лучше справляться со стрессом и может иметь важные последствия для здоровья и долголетия".

Исследование показало, что хотя аутофагия изначально была нарушена после интенсивного холодового стресса, последовательное воздействие в течение недели привело к увеличению аутофагической активности и уменьшению сигналов клеточного повреждения.

"К концу периода акклиматизации мы отметили значительное улучшение клеточной устойчивости участников к холоду", - объясняет Кинг, ведущий автор исследования.

"Это позволяет предположить, что холодовая акклиматизация может помочь организму эффективно справляться с экстремальными условиями окружающей среды".

Значение этого исследования выходит за рамки спортивных результатов.

Холодные водные погружения приобрели популярность благодаря потенциальной пользе для здоровья, и это исследование предоставляет научное обоснование их эффективности.

Результаты позволяют предположить, что правильная аутофагическая активность может не только продлить клеточное долголетие, но и предотвратить развитие различных заболеваний.

По мере того как холодовое воздействие становится все более распространенным, понимание его влияния на клеточные механизмы становится крайне важным.

Профессор Кенни подчеркивает: "Эта работа подчеркивает важность протоколов акклиматизации для улучшения здоровья человека, особенно в условиях воздействия экстремальных температур".

"Мы были поражены тем, насколько быстро тело адаптировалось", - отмечает Кинг.

"Холодовое воздействие может помочь предотвратить болезни и потенциально даже замедлить старение на клеточном уровне. Это как настройка микроскопических механизмов вашего тела".

Эти результаты применимы к молодым мужчинам, и необходимы дополнительные исследования, чтобы выяснить, распространяются ли они на другие группы.

Ученые раскрыли ключевой механизм эволюции: дупликация всего генома способствует долгосрочной адаптации

Иногда самые значительные научные открытия происходят случайно.

Ученым давно известно, что дупликация всего генома (WGD) — процесс, при котором организмы копируют весь свой генетический материал — играет важную роль в эволюции.

Однако до сих пор оставалось малоизученным, как именно возникает и сохраняется WGD и как она способствует адаптации.

В неожиданном повороте событий ученые из Технологического института Джорджии не только выяснили, как происходит WGD, но и как она сохраняет стабильность на протяжении тысяч поколений в лабораторных условиях.

Новое исследование возглавили Уильям Рэтклифф, профессор Школы биологических наук, и Кай Тонг, бывший аспирант лаборатории Рэтклиффа, а ныне постдокторант Бостонского университета.

Их статья «Дупликация генома в долгосрочном эксперименте по эволюции многоклеточности» была опубликована в журнале Nature в марте в качестве главной темы номера.

«Мы начали исследовать, как организмы совершают переход к многоклеточности, но открытие роли WGD в этом процессе было совершенно случайным», — сказал Рэтклифф.

«Это исследование дает новые представления о том, как WGD может возникать, сохраняться в течение долгого времени и стимулировать эволюционные инновации. Это действительно захватывающе».

Тайна, скрытая в данных

В 2018 году лаборатория Рэтклиффа запустила эксперимент по изучению открытой эволюции многоклеточности.

Многоклеточный долгосрочный эволюционный эксперимент (MuLTEE) использует «снежинкообразные» дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) в качестве среды, эволюционируя их от одноклеточных организмов к более сложным многоклеточным формам.

Исследователи добиваются этого, ежедневно отбирая дрожжевые клетки большего размера.

«Эти долгосрочные эволюционные исследования помогают нам ответить на важные вопросы о том, как организмы адаптируются и эволюционируют», — сказал Тонг.

«Они часто раскрывают неожиданное и расширяют наше понимание эволюционных процессов».

Именно это и произошло, когда Озан Боздаг, научный сотрудник лаборатории Рэтклиффа, заметил нечто необычное в дрожжах-снежинках.

Боздаг наблюдал за дрожжами на 1000-й день эксперимента и увидел признаки того, что они могли перейти от диплоидности (наличие двух наборов хромосом) к тетраплоидности (четыре набора).

Десятилетия лабораторных экспериментов показывают, что тетраплоидность обычно нестабильна и возвращается к диплоидности в течение нескольких сотен поколений.

По этой причине Тонг скептически отнесся к тому, что WGD произошла и сохранялась в течение тысяч поколений в MuLTEE.

Если бы это подтвердилось, это был бы первый случай спонтанного возникновения и сохранения WGD в лабораторных условиях.

После измерений эволюционировавших дрожжей Тонг обнаружил, что они дублировали свои геномы очень рано — в первые 50 дней MuLTEE.

Примечательно, что эти тетраплоидные геномы сохранялись более 1000 дней, продолжая процветать, несмотря на обычную нестабильность WGD в лабораторных условиях.

Команда обнаружила, что WGD возникла и сохранилась, потому что дала дрожжам немедленное преимущество в росте более крупных и длинных клеток и формировании больших многоклеточных кластеров, что соответствует критериям отбора по размеру в MuLTEE.

Дальнейшие эксперименты показали, что хотя WGD у дрожжей-снежинок обычно нестабильна, она сохранялась в MuLTEE, потому что более крупные многоклеточные кластеры имели преимущество в выживании.

Эта стабильность позволила дрожжам претерпеть генетические изменения, причем анеуплоидия (состояние с аномальным числом хромосом) сыграла ключевую роль в развитии многоклеточности.

В результате MuLTEE стал самым продолжительным экспериментом по эволюции полиплоидии, предлагая новые данные о том, как дупликация генома способствует биологической сложности.

Талантливая команда MuLTEE

Рэтклифф подчеркнул, что тщательная работа студентов-исследователей сыграла критическую роль в этом неожиданном прорыве.

Четыре студента бакалавриата внесли значительный вклад в успех эксперимента, присоединившись к исследованиям на ранних этапах обучения в Технологическом институте Джорджии.

«Такой опыт реальных исследований меняет жизнь и карьеру наших студентов», — сказал Рэтклифф.

«Этого уровня обучения невозможно достичь в аудитории».

Вивиан Ченг, которая присоединилась к лаборатории Рэтклиффа на первом курсе и окончила институт в 2022 году, вместе с другим студентом взялась за сложную задачу генетической модификации диплоидных и тетраплоидных штаммов дрожжей.

Рэтклифф и Тонг в итоге использовали эти же штаммы в качестве основной части своего анализа.

«Эта работа — еще один шаг к пониманию различных факторов, способствующих эволюции многоклеточности», — сказала Ченг, ныне кандидат наук в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне.

«Невероятно интересно видеть, как такой фактор, как уровень плоидности, влияет на отбор в этих дрожжевых клетках».

Рэтклифф отмечает, что некоторые из самых значительных открытий его команды невозможно было предвидеть, когда они начинали MuLTEE.

Но в этом и заключается суть, говорит он.

«Наиболее далеко идущие результаты таких экспериментов часто оказываются теми, которые мы не планировали изучать, но которые возникают неожиданно», — добавил он.

«Они раздвигают границы того, что мы считаем возможным». Он и доцент Джеймс Страуд развили эту тему в обзоре долгосрочных экспериментов в эволюционной биологии, опубликованном в том же номере Nature.

Это открытие проливает новый свет на эволюционную динамику дупликации всего генома и предоставляет уникальную возможность изучить последствия таких генетических событий.

Обладая потенциалом для будущих открытий в эволюционной биологии, эта работа представляет собой важный шаг в понимании того, как жизнь эволюционирует как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе.

«Научный прогресс редко бывает прямым путем», — сказал Тонг. «Вместо этого он разворачивается по различным взаимосвязанным направлениям, часто соединяясь неожиданным образом. Именно на этих перекрестках совершаются самые увлекательные открытия».

Дополнительная информация

• Какие ещё известные примеры дупликации всего генома (WGD) встречаются в природе? - У растений: пшеница (гексаплоид), хлопок (тетраплоид). У животных: лососевые рыбы (тетраплоидия предков). У дрожжей Saccharomyces cerevisiae — древняя WGD.
• Как анеуплоидия влияет на другие биологические процессы, кроме многоклеточности? - Вызывает генетическую нестабильность (например, синдром Дауна у человека), повышает риск рака (лишние хромосомы в опухолях), но иногда усиливает устойчивость к стрессу у грибов.
• Какие ещё долгосрочные эволюционные эксперименты проводятся сегодня? - Эксперимент Ричарда Ленски с E. coli (с 1988 года), эволюция дрожжей в лаборатории (например, работы группы Lang GI), вирусы бактериофаги (30+ лет наблюдений).

Ощущая будущее: новая носимые технологии имитируют реалистичное прикосновение

Когда речь заходит о тактильной обратной связи, большинство технологий ограничиваются простыми вибрациями. Однако наша кожа содержит множество крошечных рецепторов, способных воспринимать давление, вибрацию, растяжение и другие ощущения.

Инженеры Северо-Западного университета представили новую технологию, которая создает точные движения для имитации этих сложных ощущений.

Исследование будет опубликовано 28 марта в журнале Science.

Компактное, легкое беспроводное устройство, размещаемое на коже, может прикладывать силу в любом направлении, создавая разнообразные ощущения, включая вибрацию, растяжение, давление, скольжение и скручивание. Устройство также способно комбинировать ощущения и работать с разной скоростью для более тонкой и реалистичной имитации тактильных ощущений.

Работая от небольшого аккумулятора, устройство использует Bluetooth для беспроводного подключения к гарнитурам виртуальной реальности и смартфонам. Оно достаточно компактно и эффективно, чтобы его можно было разместить на любом участке тела, объединить в массивы с другими актуаторами или интегрировать в существующие носимые электронные устройства.

Исследователи предполагают, что их разработка в перспективе сможет улучшить виртуальные впечатления, помочь людям с нарушениями зрения ориентироваться в пространстве, воспроизводить ощущение различных текстур на плоских экранах для онлайн-покупок, обеспечивать тактильную обратную связь при дистанционных медицинских консультациях и даже позволить людям с нарушениями слуха "чувствовать" музыку.

"Почти все тактильные актуаторы просто толкают кожу, — говорит Джон А. Роджерс из Северо-Западного университета, руководивший разработкой устройства. — Но кожа способна воспринимать гораздо более сложные тактильные ощущения. Мы хотели создать устройство, которое могло бы прикладывать силу в любом направлении — не только толкать, но и скручивать, растягивать. Мы разработали крошечный актуатор, способный воздействовать на кожу в любом направлении и в любой комбинации направлений. С его помощью мы можем точно контролировать сложные тактильные ощущения программным способом".

Роджерс, пионер в области биоэлектроники, является профессором материаловедения, биомедицинской инженерии и нейрохирургии, работая на факультетах инженерной школы Маккормика и медицинской школы Файнберга Северо-Западного университета. Он также возглавляет Институт биоэлектроники Керри Симпсона. Вместе с Роджерсом исследованием руководил Йонгган Хуан из Северо-Западного университета, профессор механической и гражданской инженерии в школе Маккормика. Первыми авторами исследования выступили Кён-Хо Ха, Джейён Ю и Шупэн Ли.

Исследование основано на предыдущих работах лабораторий Роджерса и Хуана, в которых они разрабатывали программируемые массивы миниатюрных вибрирующих актуаторов для передачи тактильных ощущений.

Проблема тактильных технологий

В последние годы технологии визуализации и звука пережили взрывной рост, обеспечивая беспрецедентный уровень погружения благодаря устройствам вроде высококачественных объемных акустических систем и полностью иммерсивных очков виртуальной реальности. Однако развитие тактильных технологий в основном застопорилось. Даже самые современные системы предлагают лишь вибрационные паттерны.

Этот разрыв во многом обусловлен исключительной сложностью человеческого осязания. Чувство прикосновения включает различные типы механорецепторов (или сенсоров) — каждый со своей чувствительностью и характеристиками реакции — расположенных на разной глубине в коже. Когда эти рецепторы стимулируются, они посылают сигналы в мозг, которые интерпретируются как тактильные ощущения.

Воспроизведение этой сложности и нюансов требует точного контроля над типом, величиной и временем стимуляции кожи. Это представляет собой серьезную проблему, с которой современные технологии пока не справляются.

"Частично причина отставания тактильных технологий от видео и аудио в плане богатства и реализма заключается в сложности механики деформации кожи, — говорит Дж. Эдвард Колгейт из Северо-Западного университета, пионер в области тактильных технологий и соавтор исследования. — Кожу можно толкнуть внутрь или растянуть в стороны. Растяжение кожи может происходить медленно или быстро, а также в сложных паттернах по всей поверхности, например, по всей ладони".

Прорывной актуатор

Чтобы смоделировать эту сложность, команда Северо-Западного университета разработала первый актуатор с полной свободой движения (FOM). Это означает, что актуатор не ограничен одним типом движения или ограниченным набором движений. Вместо этого он может перемещаться и прикладывать силу во всех направлениях вдоль кожи. Эти динамические силы воздействуют на все механорецепторы кожи как по отдельности, так и в комбинации друг с другом.

"Это большой шаг к управлению сложностью осязания, — говорит Колгейт, профессор механической инженерии в школе Маккормика. — Актуатор FOM — это первое компактное тактильное устройство, которое может толкать или растягивать кожу, работать медленно или быстро и использоваться в массивах. В результате оно способно создавать замечательный диапазон тактильных ощущений".

Устройство размером всего в несколько миллиметров использует крошечный магнит и набор проволочных катушек, расположенных вложенной конфигурацией. Когда электрический ток проходит через катушки, создается магнитное поле. Взаимодействуя с магнитом, это поле генерирует силу, достаточную для перемещения, толкания, вытягивания или скручивания магнита. Комбинируя актуаторы в массивы, можно воспроизводить ощущения щипка, растяжения, сжатия и постукивания.

"Достижение компактного дизайна и высокой выходной силы критически важно, — говорит Хуан, руководивший теоретической частью работы. — Наша команда разработала вычислительные и аналитические модели для определения оптимальных конструкций, гарантируя, что каждый режим генерирует максимальную компоненту силы при минимизации нежелательных сил или крутящих моментов".

Оживление виртуального мира

На другой стороне устройства команда добавила акселерометр, позволяющий определять его ориентацию в пространстве. Эта информация позволяет системе предоставлять тактильную обратную связь в зависимости от контекста пользователя. Например, если актуатор находится на руке, акселерометр может определить, повернута ли ладонь вверх или вниз. Он также может отслеживать движение актуатора, предоставляя данные о его скорости, ускорении и вращении.

Роджерс отмечает, что эта функция отслеживания движения особенно полезна при навигации в пространстве или ощупывании различных текстур на плоском экране.

"Если провести пальцем по шелку, трение будет меньше, и он скользит быстрее, чем по вельвету или мешковине, — объясняет он. — Можно представить себе покупку одежды или тканей онлайн с возможностью почувствовать текстуру".

Помимо воспроизведения повседневных тактильных ощущений, платформа также может передавать информацию через кожу. Например, изменяя частоту, интенсивность и ритм тактильной обратной связи, команда преобразовала звучание музыки в физическое ощущение. Они также смогли изменять тональность, просто меняя направление вибраций. Ощущая эти вибрации, пользователи могли различить различные инструменты.

"Мы смогли разложить все характеристики музыки и отобразить их в тактильные ощущения, не

Дополнительная информация

• Какие существуют типы механорецепторов в коже человека и как они работают? - В коже человека есть четыре основных типа механорецепторов: тельца Мейснера (быстрая адаптация, реагируют на легкое прикосновение), тельца Пачини (быстрая адаптация, воспринимают вибрацию и давление), диски Меркеля (медленная адаптация, реагируют на постоянное давление) и тельца Руффини (медленная адаптация, чувствительны к растяжению кожи). Они преобразуют механические стимулы в нервные импульсы.

• Как именно актуаторы FOM могут помочь людям с нарушениями слуха воспринимать музыку? - Актуаторы FOM преобразуют звуковые волны музыки в тактильные вибрации, которые передаются через кожу. Это позволяет людям с нарушениями слуха "чувствовать" ритм, частоты и интенсивность музыки, создавая альтернативный способ восприятия.

• Какие существуют современные аналоги этой технологии и чем они уступают разработке Северо-Западного университета? - Современные аналоги включают устройства на основе костной проводимости или простые вибропреобразователи. Они часто уступают разработке Северо-Западного университета в точности передачи частот, адаптивности к разным типам музыки и удобстве использования.

• Как акселерометр в устройстве помогает создавать более реалистичные тактильные ощущения? - Акселерометр измеряет движение и ускорение устройства, позволяя адаптировать вибрации в реальном времени. Это создает более динамичные и точные тактильные ощущения, синхронизированные с музыкой или другими звуками.

Биологический путь в мозге может объяснить, почему девочки-подростки страдают депрессией чаще мальчиков

Депрессия — это психическое расстройство, которым страдают 280 миллионов человек во всем мире. У женщин оно встречается в два раза чаще, чем у мужчин, и эта тенденция начинает формироваться в подростковом возрасте. Исследователи изучили биологические процессы, лежащие в основе депрессии у взрослых, и выявили потенциальную роль кинуренинового пути, но впервые этот механизм был исследован у подростков с учетом биологического пола.

Исследование опубликовано в журнале Biological Psychiatry и финансировалось организацией MQ Mental Health Research при поддержке Национального института исследований в области здравоохранения и ухода (NIHR) и Биомедицинского исследовательского центра (BRC) при больнице Модсли.

Кинурениновый путь — это серия химических реакций, которые перерабатывают триптофан, аминокислоту, содержащуюся в пище.

При расщеплении триптофана в мозге возможны два пути: один приводит к образованию нейропротекторных (защищающих мозг) веществ, а другой — к образованию нейротоксичных (повреждающих мозг) веществ.

Этот процесс включает несколько побочных продуктов, включая кинуреновую кислоту (нейропротекторную) и хинолиновую кислоту (нейротоксичную).

Старший автор исследования, профессор Валерия Монделли, клинический профессор психонейроиммунологии в Институте психиатрии, психологии и нейронаук Королевского колледжа Лондона (King's IoPPN) и руководитель тематического направления по аффективным расстройствам и психозам в NIHR Maudsley BRC, сказала: «Подростковый возраст — это время, когда в мозге и теле происходят множество изменений, но мы до сих пор очень мало знаем о возможных биологических механизмах депрессии и о том, как это может влиять на различия между мальчиками и девочками. Наше исследование показывает, что кинурениновый путь играет роль в развитии депрессии в подростковом возрасте, что может помочь нам понять, почему девочки страдают от нее чаще. В этот период на психическое здоровье влияет множество социальных и индивидуальных факторов, и, выявляя задействованные биологические пути, мы надеемся создать более ясную картину того, как помочь подросткам справляться с депрессией».

С помощью анализов крови исследование оценило уровни кинуреновой и хинолиновой кислот у 150 подростков из Бразилии в возрасте от 14 до 16 лет. Подростки были разделены на три группы: с низким риском депрессии, с высоким риском депрессии и с уже диагностированной депрессией.

Риск оценивался с помощью методики, разработанной в рамках проекта Identifying Depression Early in Adolescence (IDEA), которая учитывает ряд факторов. В каждой группе было по 50 подростков, равномерно разделенных по биологическому полу, чтобы изучить различия между юношами и девушками.

Подростков наблюдали в течение трех лет, чтобы оценить, сохраняются ли у них симптомы депрессии или улучшаются.

Исследователи из Королевского колледжа Лондона обнаружили, что у подростков с высоким риском депрессии или с текущим диагнозом уровень кинуреновой кислоты, нейропротекторного соединения, был ниже.

Это снижение было наиболее выражено у девушек, что позволяет предположить, что они могут быть более уязвимы к вредному воздействию дисбаланса кинуренинового пути в подростковом возрасте, что потенциально объясняет, почему женщины страдают депрессией чаще.

Исследование также измерило определенные белки в крови, которые указывают на воспалительное состояние организма и выделяются во время инфекции, стресса или болезни.

Оно показало, что более высокие уровни этих маркеров воспаления связаны с повышенной выработкой нейротоксичных веществ в кинурениновом пути.

Примечательно, что эта связь наблюдалась у подростков с высоким риском или с депрессией, но не у подростков с низким риском.

Это позволяет предположить, что воспаление может направлять кинурениновый путь на выработку нейротоксичных веществ, увеличивая риск депрессии.

При последующем наблюдении через три года исследование показало, что у девушек с устойчивой депрессией уровни нейротоксичных метаболитов были выше, чем у тех, кто со временем выздоровел, что указывает на то, что повышенная нейротоксическая активность кинуренинового пути может затруднять преодоление депрессии у некоторых подростков.

Первый автор исследования, старший научный сотрудник King's IoPPN доктор Нагме Никхеслат сказала: «Наше исследование показывает, что измерение уровня веществ, участвующих в кинурениновом пути, потенциально может помочь выявить тех, кто подвержен риску устойчивой депрессии, особенно среди девушек, а также определить подходы к оказанию поддержки. Это понимание может способствовать разработке более целенаправленной помощи подросткам с депрессией с помощью вмешательств, воздействующих на кинурениновый путь различными способами — от медикаментозного лечения до изменений в образе жизни, таких как диета и физические упражнения».

Дополнительная информация

• Какие продукты содержат триптофан и могут влиять на кинурениновый путь? - Триптофан содержится в таких продуктах, как индейка, курица, сыр, орехи, семена тыквы, соя, яйца и рыба. Эти продукты могут влиять на кинурениновый путь, так как триптофан является его предшественником.
• Какие существуют немедикаментозные способы влияния на кинурениновый путь? - Немедикаментозные способы включают физические упражнения, управление стрессом (например, медитация), достаточный сон и диету с контролируемым содержанием триптофана. Эти методы могут модулировать активность кинуренинового пути.

Искусственный интеллект тратит меньше энергии, подражая человеческому мозгу

Искусственный интеллект (ИИ) способен выполнять сложные вычисления и анализировать данные быстрее любого человека, но для этого требуются колоссальные затраты энергии. Человеческий мозг — тоже невероятно мощный компьютер, однако он потребляет очень мало энергии.

По мере расширения технологических компаний новый подход к «мышлению» ИИ, разработанный исследователями, включая инженеров Техасского университета A&M, имитирует человеческий мозг и может произвести революцию в индустрии искусственного интеллекта.

Доктор Суин Йи, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники инженерного колледжа Техасского университета A&M, входит в команду исследователей, разработавших «Супер-тьюринговый ИИ», который функционирует более похоже на человеческий мозг. Этот новый ИИ интегрирует определенные процессы вместо их разделения и последующей передачи огромных объемов данных, как это делают современные системы.

Энергетический кризис в ИИ

Современные системы ИИ, включая большие языковые модели, такие как OpenAI и ChatGPT, требуют огромных вычислительных мощностей и размещаются в масштабных дата-центрах, потребляющих колоссальное количество электроэнергии.

«Эти дата-центры потребляют энергию в гигаваттах, тогда как наш мозг — всего 20 ватт, — объясняет Суин. — Это миллиард ватт против всего 20. Дата-центры, потребляющие столько энергии, не могут быть устойчивыми при нынешних методах вычислений. Поэтому, несмотря на впечатляющие возможности ИИ, по-прежнему необходимы аппаратное обеспечение и генерация энергии для его поддержания».

Значительные энергетические потребности не только увеличивают эксплуатационные расходы, но и вызывают экологические проблемы из-за углеродного следа, связанного с крупномасштабными дата-центрами. По мере интеграции ИИ в различные сферы решение вопросов его устойчивости становится все более критически важным.

Имитация мозга

Йи и его команда считают, что ключ к решению этой проблемы лежит в природе — а именно, в нейронных процессах человеческого мозга.

В мозге функции обучения и памяти не разделены, а интегрированы. Обучение и память зависят от связей между нейронами, называемых «синапсами», через которые передаются сигналы. Обучение усиливает или ослабляет синаптические связи через процесс, называемый «синаптической пластичностью», формируя новые цепи и изменяя существующие для хранения и извлечения информации.

В отличие от этого, в современных вычислительных системах обучение (то, как ИИ обучают) и память (хранение данных) происходят в двух разных местах аппаратного обеспечения компьютера. Супер-тьюринговый ИИ революционен тем, что устраняет этот разрыв в эффективности, поэтому компьютеру не нужно передавать огромные объемы данных из одной части аппаратного обеспечения в другую.

«Традиционные модели ИИ в значительной степени полагаются на обратное распространение ошибки — метод, используемый для настройки нейронных сетей во время обучения, — говорит Йи. — Хотя он эффективен, обратное распространение не является биологически правдоподобным и требует больших вычислительных ресурсов.

В нашей работе мы устранили биологическую неправдоподобность, присутствующую в преобладающих алгоритмах машинного обучения. Наша команда исследует механизмы, такие как хеббовское обучение и зависимая от времени спайков пластичность — процессы, которые помогают нейронам укреплять связи, имитируя то, как реальный мозг обучается».

Принципы хеббовского обучения часто сводятся к фразе «нейроны, которые возбуждаются вместе, связываются вместе». Этот подход более точно соответствует тому, как нейроны в мозге укрепляют свои связи на основе паттернов активности. Интегрируя такие биологически вдохновленные механизмы, команда стремится разработать системы ИИ, которые требуют меньше вычислительной мощности без ущерба для производительности.

В тесте схема с использованием этих компонентов помогла дрону ориентироваться в сложной среде — без предварительного обучения — обучаясь и адаптируясь на лету. Этот подход оказался быстрее, эффективнее и потреблял меньше энергии, чем традиционный ИИ.

Почему это важно для будущего ИИ

Это исследование может стать переломным моментом для индустрии ИИ. Компании стремятся создавать все более крупные и мощные модели ИИ, но их способность масштабироваться ограничена аппаратными и энергетическими ограничениями. В некоторых случаях новые приложения ИИ требуют строительства целых новых дата-центров, что еще больше увеличивает экологические и экономические затраты.

Йи подчеркивает, что инновации в аппаратном обеспечении так же важны, как и достижения в самих системах ИИ. «Многие говорят, что ИИ — это просто программная вещь, но без вычислительного оборудования ИИ не может существовать», — отмечает он.

Взгляд в будущее: устойчивое развитие ИИ

Супер-тьюринговый ИИ представляет собой ключевой шаг на пути к устойчивому развитию ИИ. Переосмысливая архитектуру ИИ, чтобы отразить эффективность человеческого мозга, индустрия может решить как экономические, так и экологические проблемы.

Йи и его команда надеются, что их исследования приведут к созданию нового поколения ИИ, которое будет одновременно умнее и эффективнее.

«Современный ИИ, такой как ChatGPT, потрясающий, но он слишком дорогой. Мы собираемся создать устойчивый ИИ, — говорит Йи. — Супер-тьюринговый ИИ может изменить то, как создается и используется ИИ, гарантируя, что по мере его развития он будет приносить пользу как людям, так и планете».

Дополнительная информация

• Какие существуют другие биологически вдохновленные подходы к созданию энергоэффективного ИИ, кроме хеббовского обучения? - Спайковые нейронные сети (имитируют импульсную передачу сигналов в мозге) и нейроморфные чипы (аппаратное воспроизведение структуры нейронов).
• Каковы физические ограничения миниатюризации аппаратного обеспечения для энергоэффективного ИИ? - Квантовые эффекты (на масштабах ниже 5 нм) и тепловыделение, ограничивающее плотность транзисторов.

Пять минут эксцентрических упражнений в день могут улучшить вашу жизнь

Исследователи из Университета Эдит Коуэн (ECU) обнаружили, что даже пять минут эксцентрических упражнений в день могут принести значительную пользу для здоровья людям, ведущим малоподвижный образ жизни.

Исследование, проведённое доктором Бенджамином Кирком и профессором Кеном Носакой из Школы медицины и здравоохранения ECU, оценивало влияние пятиминутной ежедневной программы домашних упражнений с собственным весом на физическую форму, состав тела, а также физическое и психическое здоровье у людей с низкой активностью.

В течение четырёх недель участники выполняли ежедневные упражнения, состоящие из 10 повторений каждого: приседаний на стул, откидываний на стул, отжиманий от стены и опусканий на пятки с акцентом на эксцентрическую фазу — медленное растяжение сокращающихся мышц (например, медленное опускание на стул, при котором передние мышцы бедра удлиняются, поддерживая вес тела).

«Мы наблюдали значительное улучшение мышечной силы, гибкости, силовой выносливости и психического здоровья, что говорит о том, что даже небольшие ежедневные нагрузки могут давать устойчивые и заметные преимущества для малоподвижных людей», — отметил профессор Кен Носака.

«Результаты показали, что эксцентрические упражнения очень эффективны для улучшения физической формы. Этот тип тренировок также более доступен для большинства, так как использует вес тела и не требует посещения спортзала».

«Эксцентрические упражнения можно распределять в течение дня, что делает их более выполнимыми для тех, у кого мало времени».

Малоподвижный образ жизни может быть смертельно опасен

По оценкам, недостаток физической активности ежегодно приводит примерно к 5,3 миллионам смертей в Австралии.

Считается, что только 63% людей соответствуют аэробным рекомендациям по физической активности для взрослых, а лишь 29% выполняют критерии по силовым упражнениям.

Только 19% взрослого населения Австралии в настоящее время соответствуют как аэробным, так и силовым рекомендациям.

«С возрастом уровень физической подготовки снижается в среднем на 1–2% в год. Таким образом, у 50-летнего человека показатели будут на 20% ниже, чем в 30 лет», — пояснил профессор Носака.

«Регулярные упражнения очень важны, особенно с возрастом, так как они снижают риск хронических заболеваний, травм, усталости и помогают психическому здоровью».

Основа для лучшей жизни

Хотя результаты недавнего исследования ECU показывают значительную пользу для здоровья от пятиминутных ежедневных упражнений, гораздо больших результатов можно достичь, постепенно увеличивая нагрузку.

«Рекомендации предполагают 150 минут упражнений в неделю, но эта цифра часто отпугивает людей, особенно начинающих. Начиная с пяти минут в день и постепенно увеличивая нагрузку, люди смогут увидеть больше результатов», — добавил профессор Носака.

«Каждое мышечное сокращение имеет значение, но для эффекта необходимо выполнять как минимум десять повторений каждого упражнения».

Ученые выяснили, почему ожирение лишает удовольствия от еды

Удовольствие, которое мы получаем от фастфуда — всплеск дофамина при поедании хрустящей соленой картошки фри и сочного бургера — часто называют причиной переедания и роста ожирения в обществе.

Однако новое исследование ученых из Калифорнийского университета в Беркли показывает, что удовольствие от еды, даже от вредной пищи, играет ключевую роль в поддержании здорового веса в обществе, где дешевая высококалорийная еда доступна повсеместно.

Как ни парадоксально, наблюдения показывают, что люди с ожирением могут получать меньше удовольствия от еды, чем те, у кого нормальный вес.

Сканирование мозга людей с ожирением выявляет сниженную активность в зонах мозга, связанных с удовольствием, при виде пищи — аналогичная картина наблюдается и в исследованиях на животных.

Теперь исследователи из Беркли обнаружили возможную причину этого явления — снижение уровня нейротензина, пептида мозга, взаимодействующего с дофаминовой системой, — и потенциальный способ восстановления удовольствия от еды, который может помочь сократить общее потребление пищи.

Исследование раскрывает неожиданный механизм в мозге, объясняющий, почему хроническое потребление жирной пищи может снижать желание есть высококалорийные и сладкие продукты, даже когда они остаются легкодоступными.

Ученые предполагают, что это отсутствие желания у людей с ожирением вызвано потерей удовольствия от еды из-за длительного потребления высококалорийных продуктов.

Потеря этого удовольствия может фактически способствовать прогрессированию ожирения.

«Естественная склонность к вредной пище сама по себе не плоха — но ее потеря может усугубить ожирение», — говорит Стефан Ламмель, профессор нейробиологии из Калифорнийского университета в Беркли и сотрудник Института нейронаук Хелен Уиллс.

Исследователи обнаружили, что этот эффект обусловлен снижением уровня нейротензина в определенной области мозга, связанной с дофаминовой системой.

Важно, что они показали: восстановление уровня нейротензина — будь то через изменение диеты или генетические манипуляции, усиливающие его выработку — может вернуть удовольствие от еды и способствовать снижению веса.

«Высокожировая диета меняет мозг, приводя к снижению уровня нейротензина, что, в свою очередь, меняет наше пищевое поведение и реакцию на эти продукты», — говорит Ламмель.

«Мы нашли способ восстановить желание есть высококалорийную пищу, что на самом деле может помочь в контроле веса».

Хотя результаты на мышах не всегда напрямую применимы к людям, это открытие может открыть новые пути борьбы с ожирением через восстановление пищевого удовольствия и разрыв нездоровых пищевых привычек.

«Представьте, что вы едите потрясающий десерт в отличном ресторане в Париже — вы испытываете всплеск дофамина и счастья», — говорит Нета Газит Шимони, постдок из Калифорнийского университета в Беркли.

«Мы обнаружили, что то же самое чувство возникает у мышей на нормальной диете, но отсутствует у тех, кто на высокожировой диете. Они могут продолжать есть по привычке или от скуки, а не из-за настоящего удовольствия».

Газит Шимони и бывшая аспирантка Беркли Аманда Тозе являются соавторами исследования, а Ламмель — его старшим автором. Работа будет опубликована 26 марта в журнале Nature.

Решение давней загадки в исследованиях ожирения

Десятилетиями врачи и ученые пытались понять и лечить ожирение, но бесчисленные модные диеты и схемы питания не давали долгосрочных результатов.

Недавний успех агонистов GLP-1, таких как Ozempic, которые подавляют аппетит за счет усиления чувства сытости, выделяется на фоне множества неудачных подходов.

Ламмель изучает нейронные цепи, особенно дофаминовую систему, играющую ключевую роль в системе вознаграждения и мотивации.

Дофамин часто ассоциируется с удовольствием, подкрепляя наше желание искать приятные переживания, такие как потребление высококалорийной пищи.

Работая с мышами на высокожировой диете, Газит Шимони заметила поразительный парадокс: в своих клетках эти мыши явно предпочитали корм с 60% жира обычному корму с 4% жира, что приводило к чрезмерному набору веса.

Однако когда их вынимали из клеток и давали свободный доступ к высококалорийным лакомствам — сливочному маслу, арахисовой пасте, желе или шоколаду, — они проявляли гораздо меньше желания есть, чем мыши на нормальной диете, которые сразу же съедали все предложенное.

«Если дать обычной мыши на нормальной диете такую возможность, она сразу начнет есть эти продукты», — говорит Газит Шимони.

«Это парадоксальное снижение мотивации к еде наблюдается только у мышей на высокожировой диете».

Она обнаружила, что этот эффект упоминался в прошлых исследованиях, но никто не пытался выяснить его причину и связь с фенотипом ожирения у этих мышей.

Восстановление нейротензина обращает изменения мозга, связанные с ожирением

Чтобы изучить этот феномен, Ламмель и его команда использовали оптогенетику — метод, позволяющий управлять нейронными цепями с помощью света.

Они обнаружили, что у мышей на нормальной диете стимуляция цепи, связанной с дофаминовой системой, усиливала желание есть высококалорийную пищу, но у мышей с ожирением та же стимуляция не давала эффекта, что указывало на произошедшие изменения.

Причиной оказалось сильное снижение уровня нейротензина у мышей с ожирением, что мешало дофамину запускать обычную реакцию удовольствия на высококалорийную пищу.

«Нейротензин — это недостающее звено», — говорит Ламмель. «В норме он усиливает активность дофамина, стимулируя вознаграждение и мотивацию. Но у мышей на высокожировой диете его уровень снижается, и они теряют сильное желание потреблять высококалорийную пищу — даже когда она легкодоступна».

Затем исследователи проверили способы восстановления уровня нейротензина.

Когда мышей с ожирением переводили обратно на нормальную диету на две недели, уровень нейротензина возвращался к норме, восстанавливалась функция дофамина, и они вновь проявляли интерес к высококалорийной пище.

Когда уровень нейротензина искусственно восстанавливали с помощью генетического подхода, мыши не только теряли вес, но и демонстрировали снижение тревожности и улучшение подвижности.

Их пищевое поведение также нормализовалось: повышалась мотивация к высококалорийной пище, одновременно снижалось общее потребление корма в клетках.

«Восстановление нейротензина, похоже, крайне важно для предотвращения потери желания есть высококалорийную пищу», — говорит Ламмель.

«Это не делает вас невосприимчивым к ожирению снова, но помогает контролировать пищевое поведение, возвращая его к норме».

К более точным методам лечения ожирения

Хотя прямое введение нейротензина теоретически могло бы восстановить мотивацию к еде у людей с ожирением, этот пептид действует на многие области мозга, что повышает риск нежелательных побочных эффектов.

Чтобы обойти это, исследователи использовали секвенирование генов, позволившее

Дополнительная информация

• Как нейротензин взаимодействует с дофаминовой системой? - Нейротензин модулирует дофаминовую систему, влияя на высвобождение дофамина и активность дофаминовых рецепторов, особенно в областях мозга, связанных с вознаграждением и мотивацией.
• Какие еще функции выполняет нейротензин в организме, помимо влияния на пищевое поведение? - Нейротензин участвует в регуляции болевой чувствительности, стрессовых реакций, артериального давления и работы желудочно-кишечного тракта.
• Как оптогенетика используется в других медицинских исследованиях? - Оптогенетика применяется для изучения нейродегенеративных заболеваний, психических расстройств, эпилепсии и восстановления функций после повреждений нервной системы.
• Какие побочные эффекты могут возникнуть при искусственном повышении уровня нейротензина? - Возможные побочные эффекты включают гипотензию, нарушения работы ЖКТ, повышенную тревожность и изменения в поведении, связанные с дофаминовой системой.

Флуоресцентные пещеры могут объяснить, как жизнь сохраняется во внеземных условиях

Глубоко под поверхностью Земли скрываются скальные и минеральные образования, обладающие удивительным секретом. Под ультрафиолетовым светом химические вещества, окаменевшие внутри них, светятся яркими оттенками розового, синего и зеленого. Ученые используют эти флуоресцентные особенности, чтобы понять, как формировались пещеры и как жизнь поддерживается в экстремальных условиях, что может пролить свет на возможность существования жизни в далеких мирах, таких как ледяной спутник Юпитера Европа.

Исследователи представят свои результаты на весенней встрече Американского химического общества (ACS).

Как оказалось, химический состав пещеры Винд в Южной Дакоте, вероятно, схож с условиями на Европе — и при этом гораздо более доступен для изучения. Именно поэтому астробиолог Джошуа Себри, профессор Университета Северной Айовы, оказался на сотни метров под землей, исследуя минералы и формы жизни в этих темных и холодных условиях.

«Цель этого проекта в целом — лучше понять химические процессы, происходящие под землей, которые рассказывают нам о том, как может поддерживаться жизнь», — объясняет он.

Когда Себри и его студенты начали исследовать новые участки пещеры Винд и других пещер по всей территории США, они составили карты скальных образований, проходов, ручьев и обнаруженных организмов. Во время экспедиций они также использовали ультрафиолетовые лампы для изучения минералов в породах.

Под ультрафиолетовым светом некоторые участки пещер преображались, приобретая почти инопланетный вид, когда окружающие породы начинали светиться разными оттенками. Благодаря примесям, попавшим в земные породы миллионы лет назад — своего рода химическим окаменелостям — эти оттенки соответствовали различным концентрациям и типам органических или неорганических соединений. Светящиеся камни часто указывали на места, где вода некогда переносила минералы с поверхности.

«Стены выглядели совершенно пустыми и ничем не примечательными, — говорит Себри. — Но когда мы включали ультрафиолетовые лампы, прежде обычная коричневая стена превращалась в яркий слой флуоресцентного минерала, который указывал на место, где 10 000 или 20 000 лет назад находился водоем».

Обычно для изучения химического состава пещерных образований образцы пород извлекают и отправляют в лабораторию. Но Себри и его команда собирают спектры флуоресценции — что-то вроде химических «отпечатков пальцев» — различных поверхностей с помощью портативного спектрометра прямо во время экспедиций. Таким образом, они могут сохранить данные, не нарушая целостности пещеры.

Студентка университета Анна Ван Дер Вейде сопровождала Себри в некоторых экспедициях. Используя данные, собранные во время полевых работ, она создает общедоступный каталог флуоресцентных «отпечатков», чтобы дополнить традиционные карты пещер и создать более полную картину их истории и формирования.

Другие студенты также внесли вклад в исследование. Жаклин Хегген изучает эти пещеры как моделируемую среду для астробиологических экстремофилов; Джордан Холлоуэй разрабатывает автономный спектрометр, чтобы упростить измерения и сделать их возможными для будущих внеземных миссий; а Селия Лангемо исследует биометрические методы для обеспечения безопасности исследователей экстремальных сред. Эти трое студентов также представят свои результаты на весенней встрече ACS в 2025 году.

Научная работа в пещерах сопряжена с трудностями. Например, в пещере Мистери в Миннесоте, где температура составляет 48 градусов по Фаренгейту (9 градусов по Цельсию), команде пришлось оборачивать батареи спектрометра в химические грелки, чтобы они не разряжались. В других случаях, чтобы добраться до интересующего участка, ученым приходилось пробираться через пространства шириной менее 30 сантиметров на протяжении сотен метров, иногда теряя по пути обувь (или штаны). Или стоять по колено в ледяной пещерной воде, делая замеры и надеясь, что оборудование не уйдет в незапланированное плавание.

Но несмотря на все трудности, пещеры уже раскрыли множество ценной информации. В пещере Винд команда обнаружила, что богатые марганцем воды вымыли пещеру и создали полосатые кальциты «зебра», которые светились розовым под ультрафиолетом. Кальциты росли под землей, питаясь марганцевой водой. Себри полагает, что когда эти породы разрушались — а кальцит менее прочен, чем известняк, также составляющий пещеру, — кальцит способствовал расширению пещеры. «Это совершенно иной механизм формирования пещер, чем те, что изучались ранее», — говорит он.

Уникальные условия исследований оставили незабываемые впечатления у Ван Дер Вейде. «Было очень круто увидеть, как можно применять науку в полевых условиях и научиться работать в такой среде», — заключает она.

В будущем Себри надеется дополнительно подтвердить точность флуоресцентного метода, сравнив его с традиционными разрушающими методиками. Он также планирует изучить флуоресцирующую пещерную воду, чтобы понять, как жизнь на поверхности Земли повлияла на жизнь в глубинах, и — возвращаясь к своим астробиологическим корням — выяснить, как похожая, богатая минералами вода может поддерживать жизнь в далеких уголках нашей Солнечной системы.

Исследование финансировалось NASA и Консорциумом космических грантов Айовы.

Дополнительная информация

• Какие конкретные организмы были обнаружены в пещерах и как они адаптированы к экстремальным условиям? - В пещерах часто встречаются троглобионты (специализированные пещерные организмы), такие как слепые рыбы, ракообразные (например, Niphargus) и бактерии. Они адаптированы к темноте (редукция глаз, усиление других органов чувств), низкому содержанию питательных веществ (медленный метаболизм) и высокой влажности. Некоторые микроорганизмы используют хемосинтез, окисляя минералы (например, серу или марганец) для получения энергии.

• Как марганец влияет на флуоресцентные свойства кальцита? - Марганец (Mn²⁺) является распространённым активатором флуоресценции в кальците. При замене ионов кальция в кристаллической решётке он вызывает оранжево-красное свечение под УФ-излучением (обычно при длине волны ~590 нм). Интенсивность флуоресценции зависит от концентрации марганца и отсутствия "гасящих" элементов (например, железа). Это свойство используется в геологии и археологии для анализа минерального состава.

Физика вымышленной вселенной Джорджа Р.Р. Мартина

Многие авторы научной фантастики стараются включать в свои произведения научные принципы, но Ян Треглис, который является соавтором книжной серии «Дикие карты», когда не работает физиком в Лос-Аламосской национальной лаборатории, пошел еще дальше: он вывел формулу, описывающую динамику вирусной системы вымышленной вселенной.

В независимом исследовании, опубликованном в American Journal of Physics издательства AIP Publishing, Треглис и Джордж Р.Р. Мартин выводят формулу для описания поведения вируса во вселенной «Диких карт».

«Дикие карты» — это научно-фантастическая серия, написанная коллективом авторов под редакцией Мартина и Мелинды М. Снодграсс.

Серия насчитывает более 30 томов и рассказывает об инопланетном вирусе под названием «Дикая карта», который мутирует человеческую ДНК.

Мартин указан как соавтор статьи, что делает эту публикацию его первой рецензируемой работой по физике.

Идея изучить науку, стоящую за вымышленным вирусом, возникла из серии постов в блоге на сайте «Диких карт».

«Как любой физик, я начал с приблизительных оценок, но потом увлекся. В конце концов я предложил, лишь наполовину шутя, что написать настоящую физическую статью может быть проще, чем еще один пост в блоге», — сказал Треглис.

«Будучи теоретиком, я не мог не задаться вопросом: может ли простая базовая модель упорядочить канон?»

Выведенная им формула представляет собой лагранжеву формулировку, которая учитывает различные пути эволюции системы.

Это также фундаментальный физический принцип, что делает вымышленный пример мощным обучающим инструментом.

Треглис отметил, что вывод этой физической модели был увлекательной, но открытой задачей.

После нескольких проб и ошибок с моделями, основанными на фракталах или термодинамических аналогиях, они с Мартином остановились на лагранжевом подходе.

«Мы перевели абстрактную проблему исходов вируса „Дикой карты“ в простую, конкретную динамическую систему. Усредненное по времени поведение этой системы генерирует статистическое распределение исходов», — пояснил он.

Хотя вирус «Дикой карты» можно описать с помощью физики, Треглис подчеркнул, что это не жесткое правило в каноне.

«Хорошее повествование — это персонажи: их желания, потребности, препятствия, испытания и то, как они взаимодействуют со своим миром, — сказал Треглис. — Вымышленный вирус — это всего лишь предлог, чтобы оправдать мир „Диких карт“, персонажей, которые его населяют, и сюжетные линии, вытекающие из их действий».

Безопасная ядерная батарея, способная работать всю жизнь

Иногда мобильные телефоны разряжаются раньше, чем ожидалось, или электромобилям не хватает заряда, чтобы добраться до пункта назначения. Перезаряжаемые литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы в этих и других устройствах обычно работают от нескольких часов до нескольких дней без подзарядки. Однако при частом использовании батареи деградируют и требуют более частой зарядки. Теперь исследователи рассматривают радиоуглерод в качестве источника для безопасных, компактных и недорогих ядерных батарей, способных работать десятилетиями или даже дольше без подзарядки.

Су-Иль Ин, профессор Института науки и технологий Тэгу Кёнбук, представит свои результаты на весенней встрече Американского химического общества (ACS).

Необходимость частой зарядки Li-ion аккумуляторов — это не просто неудобство.

Она ограничивает возможности технологий, использующих такие батареи, например, дронов и дистанционного сенсорного оборудования.

Кроме того, эти батареи вредны для окружающей среды: добыча лития требует больших энергозатрат, а неправильная утилизация Li-ion аккумуляторов может загрязнять экосистемы.

Но с ростом распространения подключенных устройств, дата-центров и других вычислительных технологий спрос на долговечные батареи увеличивается.

И улучшенные Li-ion аккумуляторы, скорее всего, не решат эту проблему.

"Производительность литий-ионных батарей практически достигла предела", — говорит Ин, занимающийся исследованиями в области энергетики будущего.

Поэтому Ин и его команда разрабатывают ядерные батареи в качестве альтернативы литиевым.

Ядерные батареи вырабатывают энергию, используя высокоэнергетические частицы, испускаемые радиоактивными материалами.

Не все радиоактивные элементы излучают радиацию, опасную для живых организмов, а некоторые виды излучения можно блокировать определенными материалами.

Например, бета-частицы (также известные как бета-лучи) можно экранировать тонким листом алюминия, что делает бетавольтаику потенциально безопасным выбором для ядерных батарей.

Исследователи создали прототип бетавольтаической батареи с использованием углерода-14 — нестабильной и радиоактивной формы углерода, называемой радиоуглеродом.

"Я решил использовать радиоактивный изотоп углерода, потому что он испускает только бета-лучи", — объясняет Ин. Более того, радиоуглерод является побочным продуктом атомных электростанций, он недорог, легкодоступен и прост в переработке.

А поскольку радиоуглерод распадается очень медленно, теоретически батарея на его основе может работать тысячелетиями.

В типичной бетавольтаической батарее электроны ударяют в полупроводник, что приводит к выработке электричества.

Полупроводники являются ключевым компонентом бетавольтаических батарей, так как они в основном отвечают за преобразование энергии.

Поэтому ученые исследуют передовые полупроводниковые материалы для достижения более высокой эффективности преобразования энергии — показателя, отражающего, насколько эффективно батарея может преобразовывать электроны в полезное электричество.

Чтобы значительно повысить эффективность преобразования энергии в своей новой конструкции, Ин и его команда использовали полупроводник на основе диоксида титана — материала, часто применяемого в солнечных элементах, сенсибилизированного рутениевым красителем.

Они укрепили связь между диоксидом титана и красителем с помощью обработки лимонной кислотой.

Когда бета-лучи от радиоуглерода сталкиваются с обработанным рутениевым красителем, происходит каскад реакций переноса электронов, называемый электронной лавиной.

Затем лавина проходит через краситель, а диоксид титана эффективно собирает генерируемые электроны.

Новая батарея также содержит радиоуглерод в сенсибилизированном красителем аноде и катоде.

Обработав оба электрода радиоактивным изотопом, исследователи увеличили количество генерируемых бета-лучей и снизили потери энергии бета-излучения, связанные с расстоянием между двумя структурами.

Во время демонстрации прототипа батареи исследователи обнаружили, что бета-лучи, испускаемые радиоуглеродом на обоих электродах, вызывали генерацию электронной лавины рутениевым красителем на аноде, которая собиралась слоем диоксида титана и передавалась через внешнюю цепь, создавая полезное электричество.

По сравнению с предыдущей конструкцией, где радиоуглерод был только на катоде, батарея исследователей с радиоуглеродом на катоде и аноде показала гораздо более высокую эффективность преобразования энергии — с 0,48% до 2,86%.

По словам Ина, такие долговечные ядерные батареи могут найти множество применений. Например, кардиостимулятор мог бы работать всю жизнь человека, устраняя необходимость хирургической замены.

Однако эта бетавольтаическая конструкция преобразовывала лишь малую часть радиоактивного распада в электрическую энергию, что привело к более низкой производительности по сравнению с традиционными Li-ion батареями.

Ин предполагает, что дальнейшие усилия по оптимизации формы излучателя бета-лучей и разработке более эффективных поглотителей бета-излучения могут улучшить производительность батареи и увеличить выработку энергии.

По мере роста обеспокоенности климатическими изменениями общественное восприятие ядерной энергии меняется.

Но она по-прежнему ассоциируется с крупными электростанциями, расположенными в удаленных местах.

С такими двухэлектродными сенсибилизированными красителем бетавольтаическими элементами, говорит Ин, "мы можем поместить безопасную ядерную энергию в устройства размером с палец".

Исследование финансировалось Национальным исследовательским фондом Кореи, а также Программой исследований и разработок Института науки и технологий Тэгу Кёнбук при Министерстве науки и информационно-коммуникационных технологий Кореи.

Дополнительная информация

• Какие еще радиоактивные изотопы, кроме углерода-14, могут использоваться в бетавольтаических батареях? - Тритий (³H), никель-63 (⁶³Ni), прометий-147 (¹⁴⁷Pm) и стронций-90 (⁹⁰Sr) часто применяются из-за их бета-излучения и подходящего периода полураспада.
• Как именно лимонная кислота усиливает связь между диоксидом титана и рутениевым красителем? - Лимонная кислота действует как хелатирующий агент, модифицируя поверхность TiO₂, что улучшает адсорбцию красителя за счёт образования более прочных координационных связей.

Новый метод переработки фторидов из долговечных химикатов PFAS

Исследователи из Оксфордского университета разработали метод разрушения фторсодержащих веществ PFAS (иногда называемых «вечными химикатами») с одновременным извлечением фтора для последующего использования. Результаты исследования опубликованы сегодня (26 марта 2025 года) в журнале Nature.

PFAS (поли- и перфторалкильные соединения) производятся в больших объемах уже более 70 лет. Они содержатся в самых разных продуктах, включая текстиль, пищевую упаковку, антипригарную посуду и медицинские устройства. Их уникальные свойства обусловлены множественными связями углерод-фтор — чрезвычайно прочными химическими связями, которые также объясняют их устойчивость к разложению.

Эта долговечность привела к тому, что PFAS иногда называют «вечными химикатами». Их устойчивость стала причиной повсеместного загрязнения окружающей среды. Следы PFAS обнаружены в питьевой воде и сельскохозяйственных животных, а хроническое воздействие этих веществ связывают с негативными последствиями для здоровья человека.

Глобальная проблема PFAS требует инновационных технологий для их обнаружения, извлечения и уничтожения, а также ответственных подходов к управлению отходами.

Теперь группа химиков из Оксфордского университета и Университета штата Колорадо продемонстрировала возможность разрушения широкого спектра фторсодержащих PFAS с одновременным извлечением фтора для повторного использования в промышленных процессах.

Этот простой в исполнении метод основан на реакции образцов PFAS с фосфатными солями калия в твердом состоянии. Реагенты измельчаются вместе с шариками подшипников, что приводит к разрушению устойчивых PFAS и позволяет исследователям извлекать фтор из полученного продукта. В ходе исследования извлеченный фторид использовался для получения распространенных фторирующих реагентов, которые успешно применялись в промышленных реакциях.

Извлечение фторида для повторного использования в фторхимической промышленности способствует созданию циклической экономики фтора. Это особенно важно, учитывая, что флюорит — минерал, из которого производятся практически все фторсодержащие соединения, — классифицируется многими странами как критически важный для промышленных процессов. Более того, фосфат, используемый в качестве активатора в процессе разрушения PFAS, также извлекался и повторно использовался, что исключает негативное влияние на фосфорный цикл.

Метод команды позволяет механически разрушать все классы PFAS, включая те, что содержатся в антипригарных покрытиях, электроизоляционных материалах и промышленных трубках. Это означает, что фтор из обычных отходов, таких как тефлоновая лента, может быть извлечен и использован для производства важных фторсодержащих химикатов, включая прекурсоры фармацевтических и агрохимических продуктов, таких как статины для снижения холестерина (Липитор), противосудорожные средства (Руфинамид) и гербициды (Триазифлам).

Случайное наблюдение, сделанное в ходе предыдущего исследования, стало отправной точкой для работы команды. В более ранних экспериментах с использованием аналогичного метода шарового измельчения они заметили, что PFAS-содержащие уплотнительные кольца шаровых мельниц разрушались в ходе реакции, что приводило к более высокому выходу фторида, чем ожидалось. Они пришли к выводу, что их процесс разрушает PFAS в этих кольцах и высвобождает фторид. Исследователи предположили, что метод может быть применим для разрушения и переработки других PFAS, и теперь подтвердили его широкую применимость для различных типов этих веществ.

Профессор Вероник Гувернёр (Оксфордский университет), руководившая исследованием, отметила:

«Извлечение фторида крайне важно, поскольку запасы флюорита, необходимого для производства жизненно важных лекарств, быстро истощаются из-за интенсивной добычи. Наш метод не только устраняет отходы PFAS, но и способствует циклической фторхимии, превращая стойкие загрязнители в ценные фторсодержащие соединения».

Доктор Лонг Ян (Оксфордский университет), один из ведущих авторов исследования, добавил:

«Механохимическое разрушение PFAS с помощью фосфатных солей — это захватывающее новшество, предлагающее простое, но мощное решение давней экологической проблемы. Благодаря этому эффективному методу мы надеемся изменить представление о PFAS как о „вечных химикатах“».

Работа в Университете штата Колорадо проводилась под руководством Маршалла Фиксмана и профессора Роберта Патона из отделения химии Колледжа естественных наук.

Дополнительная информация

• Какие существуют альтернативные методы разрушения PFAS, кроме механохимического подхода? - Альтернативные методы включают термическое разложение (сжигание при высоких температурах), электрохимическое окисление, фотокатализ с использованием ультрафиолета, а также биологическое разложение с помощью специализированных микроорганизмов. Некоторые из этих методов находятся на стадии исследований.

• Почему флюорит считается критически важным минералом, и какие страны являются его основными производителями? - Флюорит (плавиковый шпат) критически важен из-за его использования в производстве алюминия, стали, химикатов и оптики. Основные производители — Китай, Мексика, Монголия, ЮАР и Россия. Его дефицит может повлиять на многие отрасли промышленности.

Новая модель ИИ определяет ваш биологический возраст по пяти каплям крови

Все мы знаем людей, которые словно бросают вызов старению — они выглядят моложе своих сверстников, несмотря на одинаковый возраст. В чем их секрет? Ученые из Университета Осаки (Япония), возможно, нашли способ измерить эту разницу количественно. Включив пути метаболизма гормонов (стероидов) в модель на основе ИИ, они разработали новую систему для оценки биологического возраста человека — показателя того, насколько хорошо постарело его тело, а не просто количества лет с момента рождения.

Для этого нового метода требуется всего пять капель крови. Он анализирует 22 ключевых стероида и их взаимодействие, чтобы дать более точную оценку здоровья.

Прорывное исследование команды, опубликованное в Science Advances, предлагает потенциальный шаг вперед в персонализированном управлении здоровьем, позволяя раньше выявлять возрастные риски и подбирать индивидуальные меры вмешательства.

Расшифровка "подписи" старения организма

Старение — это не просто количество прожитых лет. На него влияют генетика, образ жизни и факторы окружающей среды.

Традиционные методы оценки биологического возраста опираются на общие биомаркеры, такие как метилирование ДНК или уровень белков, но эти подходы часто упускают из виду сложные гормональные сети, регулирующие внутренний баланс организма.

"Наше тело зависит от гормонов для поддержания гомеостаза, поэтому мы подумали: почему бы не использовать их как ключевые показатели старения?" — говорит доктор Цюи Ван, соавтор исследования.

Чтобы проверить эту идею, исследовательская группа сосредоточилась на стероидных гормонах, которые играют ключевую роль в метаболизме, иммунной функции и реакции на стресс.

Новая модель на основе ИИ

Команда разработала модель глубокой нейронной сети (DNN), которая включает пути метаболизма стероидов, став первой моделью ИИ, явно учитывающей взаимодействие между различными стероидными молекулами.

Вместо анализа абсолютных уровней стероидов — которые могут сильно варьироваться у разных людей — модель изучает соотношения стероидов, обеспечивая более персонализированную и точную оценку биологического возраста.

"Наш подход снижает шум, вызванный индивидуальными различиями в уровнях стероидов, и позволяет модели сосредоточиться на значимых закономерностях", — объясняет доктор Цзы Ван, соавтор и ответственный автор работы.

Модель обучалась на образцах крови сотен людей, показав, что различия в биологическом возрасте имеют тенденцию увеличиваться с годами — эффект, который исследователи сравнивают с расширением реки по мере ее течения.

Ключевые выводы и последствия

Одно из самых поразительных открытий исследования касается кортизола — стероидного гормона, обычно ассоциируемого со стрессом.

Исследователи обнаружили, что при удвоении уровня кортизола биологический возраст увеличивался примерно в 1,5 раза.

Это говорит о том, что хронический стресс может ускорять старение на биохимическом уровне, подчеркивая важность управления стрессом для долгосрочного здоровья.

"О стрессе часто говорят в общих чертах, но наши результаты предоставляют конкретные доказательства его измеримого влияния на биологическое старение", — говорит профессор Тошифуми Такао, ответственный автор и эксперт в области аналитической химии и масс-спектрометрии.

Исследователи считают, что эта модель биологического возраста на основе ИИ может открыть путь к более персонализированному мониторингу здоровья.

Будущие применения могут включать раннее выявление заболеваний, индивидуальные программы оздоровления и даже рекомендации по образу жизни, направленные на замедление старения.

Взгляд в будущее

Хотя исследование представляет собой значительный шаг вперед, команда признает, что биологическое старение — это сложный процесс, на который влияет множество факторов помимо гормонов.

"Это только начало, — говорит доктор Ц. Ван. — Расширяя наш набор данных и включая дополнительные биологические маркеры, мы надеемся усовершенствовать модель и глубже понять механизмы старения".

С постоянным прогрессом в области ИИ и биомедицинских исследований мечта точно измерить — и даже замедлить — биологическое старение становится все более осуществимой. Пока же возможность оценить "скорость старения" с помощью простого анализа крови может стать революционным достижением в превентивной медицине.

Дополнительная информация

• Какие еще гормоны, кроме кортизола, могут существенно влиять на биологический возраст? - На биологический возраст также влияют: ДГЭА (снижается с возрастом), гормон роста (уменьшается после 30 лет), мелатонин (снижение связано со старением), тестостерон (низкий уровень ускоряет старение у мужчин) и инсулиноподобный фактор роста 1 (IGF-1).
• Как именно глубокие нейронные сети анализируют соотношения стероидов для определения биологического возраста? - Глубокие нейронные сети выявляют сложные паттерны в профилях стероидных гормонов, обучаясь на больших наборах данных, где известны хронологический возраст и соответствующие гормональные профили, что позволяет предсказывать биологический возраст по новым образцам.

Услышьте, как квантовые атомы общаются друг с другом благодаря акустике

Что происходит, когда квантовый физик сталкивается с ограничениями квантовой механики при изучении плотно упакованных атомов? В EPFL (Федеральная политехническая школа Лозанны) создают метаматериал — искусственный материал с экзотическими свойствами.

Этим разочарованным физиком стал аспирант Матьё Падлевски. В сотрудничестве с Эрве Лиссеком и Ромэном Флёри из Лаборатории волновой инженерии EPFL он разработал новую акустическую систему для исследования конденсированного состояния вещества и его макроскопических свойств, обходя при этом чрезвычайно чувствительную природу квантовых явлений. Более того, систему можно настроить для изучения свойств, выходящих за рамки физики твердого тела. Результаты опубликованы в журнале Physical Review B.

«По сути, мы создали игровую площадку, вдохновленную квантовой механикой, которую можно адаптировать для изучения различных систем. Наш метаматериал состоит из высоконастраиваемых активных элементов, позволяющих синтезировать явления, выходящие за пределы природных», — объясняет Падлевски. «Потенциальные применения включают управление волнами и направление энергии для телекоммуникаций, а установка может однажды подсказать способы сбора энергии из волн».

Кот Шрёдингера: квантовая загадка

В квантовой механике кот одновременно и жив, и мертв внутри коробки, пока вы не вмешаетесь в систему, измерив её — в данном случае открыв коробку. С чисто квантовой точки зрения кот находится в суперпозиции двух вероятных состояний: вероятного состояния «жив» и вероятного состояния «мертв», пока вы не откроете коробку и не увидите, жив кот или мертв. Кот не может быть одновременно и живым, и мертвым — в этом суть мысленного эксперимента, предложенного Эрвином Шрёдингером в 1935 году, который иллюстрирует сложность квантовых концепций при их масштабировании до уровня, скажем, кота.

Чувствительность квантовой физики, затрудняющая наблюдение твердых состояний, связана с самим актом измерения системы, который заставляет квантовую систему принять определенное состояние вместо того, чтобы позволить ей существовать в суперпозиции вероятностных состояний без вмешательства. Тем не менее, физики умеют косвенно исследовать электронные состояния и выводить их свойства.

Моделирование квантовых явлений с помощью звуковых волн

Однако есть явление, для которого кот Шрёдингера имеет полный смысл в макроскопическом мире, и с которым мы можем взаимодействовать: звук.

Возьмем, например, человеческий голос. Мы знаем, что голос каждого уникален и богат, потому что мы слышим весь спектр частот. Частотный спектр характерен для конкретного голоса, но он также объясняет, почему у фортепиано уникальный тембр или почему труба звучит иначе, чем тромбон. В принципе, мы можем одновременно слышать основную частоту (основное состояние) и все высшие гармоники. Заимствуя терминологию квантовой физики, мы фактически слышим суперпозицию множества состояний одновременно. Или, по аналогии с котом Шрёдингера, кот и жив, и мертв, и мы можем это услышать!

«В конце концов, квантовые вероятностные волны — это тоже волны. Почему бы не смоделировать их с помощью звука?» — говорит Падлевски. «Исследовать электронные состояния твердого тела напрямую, без возмущений, — всё равно что отправить слепого человека на оживленную улицу без трости. Но в акустике мы можем исследовать волны напрямую, по фазе и амплитуде, не разрушая состояние — и это замечательно».

Создание акустического метаматериала

Акустический метаматериал, разработанный в EPFL, состоит из цепочки «акустических атомов» — 16 небольших кубов, соединенных друг с другом отверстиями для размещения динамиков или микрофонов. Динамики генерируют звуковые волны, которые распространяются по цепочке контролируемым образом, а микрофоны измеряют волны для обратной связи. Кубы можно рассматривать как строительные блоки для создания более сложных систем, выходящих за рамки простой линии.

«Если посмотреть на улитку — орган слуха уха, — то по структуре и функциональности она напоминает наш активный акустический метаматериал», — отмечает Лиссек. «Улитка состоит из идеальной цепочки клеток, усиливающих разные частоты. Наш метаматериал потенциально можно настроить так, чтобы он работал аналогичным образом, и изучать проблемы слуха, например, тиннитус».

На пути к квантово-вдохновленному аналоговому компьютеру

Падлевски также заинтересован в использовании блоков метаматериала для создания одного из первых акустических аналоговых компьютеров, способных генерировать неразделимые состояния. Вдохновленный работами Пьера Деймье из Университета Аризоны, этот компьютер станет акустическим аналогом квантового компьютера. Он позволит напрямую наблюдать суперпозиционные состояния без вмешательства в систему, поскольку акустические волны не так хрупки, как квантовые.

«Акустический квантовый аналоговый компьютер будет больше похож на кристаллическую решетку — периодический массив ячеек, подобно тому, как атомы расположены в кристаллах», — добавляет Падлевски. «Акустический подход к квантовым вычислениям может предложить альтернативный способ одновременной обработки огромных объемов информации».

Дополнительная информация

• Как именно акустические волны могут моделировать квантовую суперпозицию, если они макроскопические? - Акустические волны демонстрируют интерференцию и суперпозицию состояний, аналогично квантовым частицам, благодаря общим волновым свойствам (например, конструктивная/деструктивная интерференция). Это позволяет создавать макроскопические аналоги квантовых явлений.
• Какие конкретные проблемы слуха, кроме тиннитуса, можно изучать с помощью такого акустического метаматериала? - Гиперакузия (повышенная чувствительность к звукам), кондуктивная тугоухость (из-за нарушения передачи звука) и резонансные нарушения в улитке внутреннего уха. Метаматериалы помогают анализировать и перенаправлять звуковые волны для диагностики.

Новый тип квантового компьютера изучает танец элементарных частиц

Стандартная модель физики элементарных частиц — это наша лучшая теория, описывающая элементарные частицы и силы, из которых состоит наш мир. Частицы и античастицы, такие как электроны и позитроны, описываются как квантовые поля. Они взаимодействуют через другие силовые поля, например, через электромагнитную силу, которая связывает заряженные частицы.

Чтобы понять поведение этих квантовых полей и, следовательно, нашей Вселенной, исследователи проводят сложные компьютерные симуляции квантовых теорий поля. К сожалению, многие из этих вычислений слишком сложны даже для самых мощных суперкомпьютеров и представляют серьёзные трудности для квантовых компьютеров, оставляя множество важных вопросов без ответа.

Используя новый тип квантового компьютера, экспериментальная группа Мартина Рингбауэра из Университета Инсбрука и теоретическая группа Кристины Мушик из Института квантовых вычислений (IQC) Университета Ватерлоо в Канаде сообщают в публикации в журнале Nature Physics о том, как им удалось успешно смоделировать полную квантовую теорию поля в более чем одном пространственном измерении.

Естественное представление квантовых полей

Основная сложность при моделировании квантовых теорий поля на квантовых компьютерах заключается в необходимости учитывать поля, представляющие силы между частицами, такие как электромагнитная сила между заряженными частицами. Эти поля могут быть направлены в разные стороны и иметь разную степень интенсивности или возбуждения. Такие объекты плохо вписываются в традиционную бинарную вычислительную парадигму, основанную на нулях и единицах, которая лежит в основе современных классических и квантовых компьютеров.

Новый прорыв стал возможен благодаря сочетанию квантового компьютера на кудитах, разработанного в Инсбруке, и алгоритма для моделирования фундаментальных взаимодействий частиц, созданного в Ватерлоо. Этот подход основан на использовании до пяти значений на каждый носитель квантовой информации вместо просто нуля и единицы, что позволяет эффективно хранить и обрабатывать данные. Такой квантовый компьютер идеально подходит для представления сложных квантовых полей в расчётах физики частиц. «Наш подход позволяет естественным образом представлять квантовые поля, что делает вычисления гораздо более эффективными», — объясняет Майкл Мет, ведущий автор исследования. Это позволило команде наблюдать фундаментальные особенности квантовой электродинамики в двух пространственных измерениях.

Огромный потенциал для физики частиц

Ещё в 2016 году в Инсбруке была продемонстрирована генерация пар частица-античастица. «В той демонстрации мы упростили задачу, ограничив движение частиц прямой линией. Устранение этого ограничения — критический шаг для использования квантовых компьютеров в изучении фундаментальных взаимодействий частиц», — говорит Кристина Мушик. Теперь команды представили первую квантовую симуляцию в двух пространственных измерениях. «Помимо поведения частиц, мы теперь также видим магнитные поля между ними, которые могут существовать только если частицы не ограничены движением по линии. Это важный шаг на пути к изучению природы», — объясняет Мартин Рингбауэр.

Новая работа по квантовой электродинамике — только начало. Добавив всего несколько кудитов, можно будет расширить текущие результаты не только до трёхмерных моделей, но и до сильного ядерного взаимодействия, которое удерживает атомы вместе и содержит многие из оставшихся загадок физики. «Мы в восторге от потенциала квантовых компьютеров в изучении этих увлекательных вопросов», — с энтузиазмом говорит Рингбауэр.

Исследование получило финансовую поддержку, среди прочего, от Австрийского научного фонда (FWF), Федерального министерства образования, науки и исследований Австрии, Австрийского агентства по продвижению исследований (FFG), Европейского союза и Канадского фонда передовых исследований (Canada First Research Excellence Fund).

Дополнительная информация

• Какие преимущества имеют кудиты по сравнению с кубитами в квантовых вычислениях? - Кудиты могут находиться в более чем двух состояниях (в отличие от кубитов), что позволяет кодировать больше информации в одном элементе и потенциально ускоряет вычисления.

• Какие практические приложения могут иметь симуляции сильного ядерного взаимодействия? - Такие симуляции помогают в разработке новых материалов, изучении свойств ядерной материи и создании более точных моделей для ядерной энергетики и астрофизики.

Новое исследование ставит под сомнение представления о твердотельных литий-металлических батареях

Недавнее исследование гранатовых твердых электролитов для литий-металлических батарей показало, что их предполагаемые преимущества в плотности энергии могут быть переоценены. Согласно данным исследования, полностью твердотельная литий-металлическая батарея (ASSLMB) с использованием оксида лития-лантана-циркония (LLZO) достигнет гравиметрической плотности энергии всего 272 Вт·ч/кг, что лишь незначительно превышает показатели современных литий-ионных батарей (250-270 Вт·ч/кг). Учитывая высокую стоимость производства и технологические сложности работы с LLZO, результаты исследования указывают на то, что композитные или квазитвердотельные электролиты могут быть более перспективными альтернативами.

"Полностью твердотельные литий-металлические батареи считались будущим энергонакопления, но наше исследование показывает, что конструкции на основе LLZO могут не обеспечить ожидаемого скачка в плотности энергии", — заявил ведущий автор исследования Эрик Цзяньфэн Ченг, исследователь из WPI-AIMR Университета Тохоку.

"Даже в идеальных условиях прирост ограничен, а стоимость и производственные сложности значительны".

Твердотельные литий-металлические батареи рассматриваются как перспективная технология нового поколения благодаря потенциально более высокой безопасности и энергоэффективности.

LLZO, являющийся одним из основных кандидатов на роль твердого электролита, ценится за стабильность и ионную проводимость.

Однако детальное моделирование практического применения LLZO в пакетных элементах ставит под сомнение предположение о значительном увеличении плотности энергии.

Исследование показывает, что даже с ультратонким 25-микронным керамическим сепаратором LLZO и высокоемким катодом производительность батареи лишь ненамного превосходит лучшие традиционные литий-ионные элементы.

Одной из ключевых проблем, выявленных в исследовании, является плотность LLZO, которая увеличивает общую массу элемента и снижает ожидаемые энергетические преимущества.

Хотя объемная плотность энергии достигает примерно 823 Вт·ч/л, дополнительный вес и стоимость LLZO снижают его практическую применимость.

Кроме того, хрупкость материала, сложности в производстве бездефектных тонких листов, а также проблемы с литиевыми дендритами и пустотами на границе раздела фаз дополнительно осложняют масштабирование технологии.

"LLZO — отличный материал с точки зрения стабильности, но его механические ограничения и дополнительный вес создают серьезные препятствия для коммерциализации", — пояснил Ченг.

В качестве альтернативы исследователи изучают гибридные подходы, сочетающие LLZO с другими материалами.

Одна из перспективных стратегий предполагает использование композитных электролитов LLZO-в-полимере, которые сохраняют высокую ионную проводимость, улучшая гибкость и технологичность.

Другой подход — квазитвердотельные электролиты на основе LLZO, содержащие небольшое количество жидкого электролита для улучшения ионного транспорта и структурной целостности.

Эти гибридные конструкции продемонстрировали улучшенную долгосрочную стабильность.

"Вместо того чтобы сосредотачиваться на полностью керамических твердотельных батареях, нам необходимо пересмотреть наш подход", — сказал Ченг.

"Комбинируя LLZO с полимерными или гелевыми электролитами, мы можем улучшить технологичность, снизить вес и при этом сохранить высокую производительность".

Исследование, опубликованное в журнале Energy Storage Materials, проводилось в сотрудничестве с учеными из Университета Тохоку, Шанхайского университета Цзяо Тун, MIT, Университета Висконсин-Мэдисон, Университета Джонса Хопкинса и Университета Сент-Эндрюс. Подчеркивая ограничения полностью керамических твердотельных батарей, работа акцентирует необходимость практических инженерных решений, балансирующих энергетические характеристики, технологичность и стоимость.

Дополнительная информация

• Какие другие материалы, кроме LLZO, рассматриваются в качестве твердых электролитов для литий-металлических батарей? - Помимо LLZO (литий-лантана-циркониевого оксида), исследуются такие материалы, как сульфидные электролиты (например, Li₂S-P₂S₅), перовскиты (например, Li₃xLa₂/₃-xTiO₃), NASICON-подобные соединения (например, Li₁₊ₓAlₓTi₂₋ₓ(PO₄)₃) и полимерные электролиты (например, PEO с солями лития).
• Как именно жидкий электролит в квазитвердотельных системах улучшает ионный транспорт по сравнению с чистыми керамическими электролитами? - Жидкий электролит заполняет микропоры и границы зерен в керамике, снижая сопротивление на стыках частиц и обеспечивая более непрерывные пути для ионов лития, что увеличивает общую проводимость системы.

Шимпанзе действуют как «инженеры», выбирая материалы для изготовления орудий на основе их структурных и механических свойств

Международная команда исследователей из Школы антропологии и музейной этнографии Оксфордского университета, Института эволюционной антропологии Макса Планка, Института Джейн Гудолл в Танзании, Университета Алгарве и Университета Порту в Португалии, а также Университета Лейпцига обнаружила, что шимпанзе, обитающие в национальном парке Гомбе-Стрим в Танзании, демонстрируют элементы инженерного подхода при изготовлении орудий. Они целенаправленно выбирают растения, материалы которых позволяют создавать более гибкие инструменты для «рыбалки» на термитов.

Результаты исследования, опубликованные в журнале iScience, имеют важное значение для понимания технических способностей, связанных с изготовлением недолговечных орудий — аспекта, который остаётся малоизученным в эволюции человеческих технологий.

Термиты являются для шимпанзе ценным источником энергии, жиров, витаминов, минералов и белка. Чтобы добыть этих насекомых, обезьянам необходимо использовать тонкие зонды, чтобы извлекать термитов из их гнёзд. Поскольку внутренняя структура термитников состоит из извилистых туннелей, учёные предположили, что гибкие инструменты будут эффективнее жёстких палок.

Для проверки этой гипотезы ведущий автор исследования Алехандра Паскуаль-Гарридо привезла в Гомбе портативный механический тестер и измерила, какое усилие требуется для сгибания материалов, используемых шимпанзе, по сравнению с доступными, но неиспользуемыми растениями. Оказалось, что неиспользуемые виды растений были на 175% жёстче, чем предпочитаемые обезьянами материалы.

Более того, даже среди растений, растущих рядом с термитниками, те, которые явно использовались шимпанзе регулярно, давали более гибкие инструменты, чем соседние неиспользуемые растения.

«Это первое всестороннее доказательство того, что дикие шимпанзе выбирают материалы для орудий ловли термитов на основе конкретных механических свойств», — говорит Алехандра Паскуаль-Гарридо, которая более десяти лет изучает сырьё, используемое шимпанзе для изготовления инструментов в Гомбе.

Примечательно, что некоторые виды растений, например Grewia spp., также используются в качестве материала для орудий сообществами шимпанзе, живущими на расстоянии до 5000 километров от Гомбе. Это говорит о том, что механические свойства этих растений могут лежать в основе таких универсальных предпочтений, а примитивный инженерный подход может быть глубоко укоренён в культуре изготовления орудий у шимпанзе.

Таким образом, дикие шимпанзе, возможно, обладают своего рода «народной физикой» — интуитивным пониманием свойств материалов, которое помогает им выбирать лучшие инструменты для задачи.

Их естественные инженерные способности заключаются не просто в использовании любой доступной палки или растения; шимпанзе целенаправленно выбирают материалы с механическими свойствами, которые делают их орудия для добычи пищи более эффективными.

Доктор Алехандра Паскуаль-Гарридо, научный сотрудник Школы антропологии и музейной этнографии Оксфордского университета, отметила: «Этот новый подход, сочетающий биомеханику с изучением поведения животных, помогает нам лучше понять когнитивные процессы, лежащие в основе изготовления орудий шимпанзе, и то, как они оценивают и выбирают материалы на основе их функциональных свойств».

Результаты исследования ставят важные вопросы о том, как эти знания усваиваются, сохраняются и передаются между поколениями — например, когда молодые шимпанзе наблюдают за инструментами своих матерей и используют их. Также остаётся открытым вопрос, руководствуются ли шимпанзе аналогичными механическими принципами при выборе материалов для других орудий, например для добычи муравьёв или сбора мёда.

«Это открытие имеет важное значение для понимания того, как у людей могли развиться их замечательные способности к использованию орудий», — поясняет Адам ван Кастерен из отдела изучения происхождения человека Института эволюционной антропологии Макса Планка, специалист по биомеханике и эволюционной биологии. «Хотя недолговечные материалы, такие как дерево, редко сохраняются в археологической летописи, механические принципы эффективного изготовления и использования орудий остаются неизменными для разных видов и эпох».

Изучая то, как шимпанзе выбирают материалы на основе конкретных структурных и механических свойств, мы можем лучше понять физические ограничения и требования, которые могли влиять на использование орудий ранними людьми. Такой сравнительный функциональный подход даёт новые ключи к аспектам древних технологий, не сохранившимся в археологических находках.

Дополнительная информация

• Какие ещё животные, кроме шимпанзе, демонстрируют способность выбирать материалы для орудий на основе их механических свойств? - Новокаледонские вороны выбирают ветки определённой толщины и гибкости для изготовления крючков, а морские выдры (каланы) используют камни для раскалывания раковин моллюсков, предпочитая камни с подходящей формой и весом.
• Как термиты влияют на экосистему национального парка Гомбе-Стрим помимо того, что служат пищей для шимпанзе? - Термиты играют ключевую роль в аэрации почвы, разложении органического материала и круговороте питательных веществ, что поддерживает здоровье леса и способствует росту растений.

Птицы Галапагосских островов проявляют «дорожную агрессию» из-за шума

Новое исследование показало, что птицы на Галапагосских островах меняют свое поведение из-за шума транспорта. Особи, часто подвергающиеся воздействию автомобилей, демонстрируют повышенный уровень агрессии.

Исследование, опубликованное в журнале Animal Behaviour и проведенное экспертами из Университета Англии Раскин (ARU) и Исследовательского центра Конрада Лоренца при Венском университете, изучило влияние шумового загрязнения от транспорта на галапагосских желтых древесниц (Setophaga petechia aureola) — певчих птиц, широко распространенных на архипелаге.

Галапагосские острова, расположенные в 800 км от побережья Эквадора, считаются естественной лабораторией эволюции благодаря большому количеству уникальных эндемичных видов.

Галапагосская желтая древесница генетически отличается от других подвидов желтых древесниц, встречающихся в Америке, и классифицируется как отдельный подвид.

Визит на Галапагосские острова в 1835 году вдохновил Чарльза Дарвина на разработку теории эволюции путем естественного отбора.

Однако в последние десятилетия здесь наблюдается значительный рост населения.

На фоне увеличения туризма постоянное население увеличивается более чем на 6% в год, что приводит к росту числа автомобилей на дорогах островов.

В ходе нового исследования ученые воспроизводили записи птичьих песен через динамик, имитируя вторжение чужака, а также добавляли записанный шум транспорта. Эксперимент проводился в 38 местах обитания галапагосских желтых древесниц на островах Флореана и Санта-Крус: 20 участков находились в пределах 50 метров от дорог, а 18 — на расстоянии более 100 метров.

Затем исследователи измеряли вокальную активность (обычно используемую для отпугивания чужаков) и физические проявления агрессии, такие как приближение к динамику и повторяющиеся пролеты над ним.

Во время испытаний с шумом транспорта выяснилось, что древесницы, живущие у дорог, проявляли повышенную агрессию, тогда как особи, обитающие вдали от дорог, демонстрировали сниженную агрессию по сравнению с тестами без шума.

Важно отметить, что эффект воздействия дорожного шума наблюдался даже на острове Флореана, где всего около 10 автомобилей, что говорит о том, что даже минимальный контакт с транспортом влияет на реакцию птиц.

Кроме того, древесницы на более населенном острове Санта-Крус увеличивали продолжительность пения при воздействии шума транспорта.

Эти данные подтверждают гипотезу о том, что долгосрочная адаптация к шуму или индивидуальный опыт птиц позволяют им корректировать характеристики своих песен.

Наконец, птицы повышали минимальную частоту своих песен во время шумовых экспериментов, независимо от близости их территории к дороге, что помогало избежать наложения их сигналов на низкочастотный транспортный шум.

Соавтор исследования доктор Чаглар Акчай, старший преподаватель поведенческой экологии в Университете Англии Раскин (ARU), отметил:
«Птицы используют пение для защиты территории как агрессивный сигнал. Однако если внешний шум, например, от транспорта, мешает коммуникации, блокируя этот канал, усиление физической агрессии становится логичной реакцией.

Наши результаты показывают, что изменения в агрессивном поведении желтых древесниц происходят в основном у дорог. Птицы, занимающие придорожные территории на обоих островах и регулярно сталкивающиеся с шумом транспорта, могли научиться усиливать физическую агрессию, когда вторжение сопровождалось шумом.

Мы также обнаружили признаки адаптации через изменение пения: древесницы во всех средах обитания повышали минимальную частоту своих песен, чтобы их было лучше слышно поверх шума.

Это исследование подчеркивает важность учета поведенческой пластичности в природоохранных усилиях и разработки стратегий по снижению воздействия шумового загрязнения на дикую природу. Оно также показывает, насколько значительным может быть влияние деятельности человека на поведение животных, даже в таких удаленных местах, как Галапагосские острова».

Дополнительная информация

• Какие еще уникальные адаптации демонстрируют галапагосские желтые древесницы, кроме изменения частоты пения? - Галапагосские желтые древесницы также адаптировались к разным типам растительности на островах, изменяя форму клюва для более эффективного сбора пищи.
• Как рост туризма на Галапагосских островах влияет на другие эндемичные виды, кроме желтых древесниц? - Увеличение туризма приводит к интродукции чужеродных видов, таких как крысы и насекомые, которые конкурируют с эндемичными видами за ресурсы или становятся их хищниками.

Ученые создали клетки морской звезды, способные изменять форму под действием света

Жизнь обретает форму благодаря движению одной клетки. В ответ на сигналы определенных белков и ферментов клетка начинает двигаться и сокращаться, что приводит к ее сжатию, перетягиванию и в конечном итоге делению. По мере того как дочерние клетки повторяют этот процесс из поколения в поколение, они растут, дифференцируются и в конечном итоге организуются в полностью сформированный организм.

Теперь ученые из Массачусетского технологического института (MIT) использовали свет для контроля над тем, как отдельная клетка двигается на самых ранних этапах своего развития.

Команда изучала движение яйцеклеток морской звезды — организма, который давно используется учеными в качестве классической модели для понимания роста и развития клеток.

Исследователи сосредоточились на ключевом ферменте, который запускает каскад движений внутри яйцеклетки морской звезды.

Они генетически создали светочувствительную версию этого фермента, ввели ее в яйцеклетки, а затем стимулировали клетки различными световыми паттернами.

Они обнаружили, что свет успешно активировал фермент, который, в свою очередь, заставлял клетки двигаться в предсказуемых паттернах.

Например, ученые могли стимулировать клетки к небольшим перетягиваниям или масштабным сокращениям в зависимости от применяемого светового паттерна.

Они даже могли направлять свет в определенные точки вокруг клетки, чтобы растянуть ее форму от круга до квадрата.

Их результаты, которые будут опубликованы в журнале Nature Physics, предоставляют ученым новый оптический инструмент для контроля формы клетки на самых ранних этапах развития.

По мнению исследователей, такой инструмент может помочь в проектировании синтетических клеток, например, терапевтических "заплаточных" клеток, которые сокращаются в ответ на световые сигналы, помогая заживлять раны, или клеток-носителей лекарств, которые высвобождают свое содержимое только при освещении в определенных участках тела.

В целом, исследователи видят в своих результатах новый способ изучения того, как жизнь формируется из одной клетки.

"Показывая, как световой переключатель может изменять форму клеток в реальном времени, мы раскрываем базовые принципы того, как живые системы самоорганизуются и развивают форму", — говорит старший автор исследования Никта Фахри, доцент физики в MIT.

"Сила этих инструментов в том, что они помогают нам расшифровать все эти процессы роста и развития, чтобы понять, как это делает природа".

Среди авторов исследования из MIT — Цзинхуэй Лю, Ю-Чен Чао и Тзер Хан Тан; а также Том Буркарт, Александр Ципке и Эрвин Фрей из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана; Джон Рейнхард из Саарландского университета; и С. Закари Шварц из Уайтхедского института биомедицинских исследований.

Клеточные цепи

Группа Фахри в MIT изучает физические динамики, которые управляют ростом и развитием клеток.

Особый интерес для нее представляет симметрия и процессы, которые определяют, как клетки следуют или нарушают симметрию по мере роста и деления.

Пятилучевая морская звезда, по ее словам, является идеальным организмом для изучения таких вопросов роста, симметрии и раннего развития.

"Морская звезда — это удивительная система, потому что она начинается с симметричной клетки, становится билатерально симметричной личинкой на ранних стадиях, а затем развивается в пентамерную симметрию взрослой особи", — говорит Фахри.

"Таким образом, существует множество сигнальных процессов, которые происходят по пути, чтобы сообщить клетке, как ей нужно организоваться".

Ученые давно изучают морскую звезду и различные стадии ее развития.

Среди множества открытий исследователи обнаружили ключевую "цепь" внутри яйцеклетки морской звезды, которая контролирует ее движение и форму.

Эта цепь включает фермент GEF, который естественным образом циркулирует в цитоплазме клетки.

Когда этот фермент активируется, он вызывает изменение в белке Rho, который, как известно, играет ключевую роль в регуляции механики клетки.

Когда фермент GEF стимулирует Rho, это заставляет белок переходить из свободно плавающего состояния в состояние, связанное с мембраной клетки.

В этом связанном состоянии белок затем запускает рост микроскопических, похожих на мышцы волокон, которые проходят через мембрану и сокращаются, позволяя клетке двигаться.

В предыдущей работе группа Фахри показала, что движения клетки можно манипулировать, изменяя концентрацию фермента GEF: чем больше фермента они вводили в клетку, тем больше сокращений она демонстрировала.

"Эта идея заставила нас задуматься, возможно ли взломать эту цепь, чтобы не просто изменить паттерн движений клетки, но и получить желаемый механический ответ", — говорит Фахри.

Свет и действие

Для точного управления движениями клетки команда обратилась к оптогенетике — подходу, который включает генетическую модификацию клеток и их компонентов, таких как белки и ферменты, чтобы они активировались под действием света.

Используя установленные методы оптогенетики, исследователи создали светочувствительную версию фермента GEF.

Из этого модифицированного фермента они выделили его мРНК — по сути, генетическую схему для построения фермента.

Затем они ввели эту схему в яйцеклетки, которые команда получила из одного яичника морской звезды, содержащего миллионы неоплодотворенных клеток.

Клетки, насыщенные новой мРНК, начали самостоятельно производить светочувствительные ферменты GEF.

В экспериментах исследователи помещали каждую клетку с ферментом под микроскоп и направляли на нее свет в различных паттернах и с разных точек по периферии клетки.

Они записывали на видео реакцию клетки.

Они обнаружили, что когда свет направлялся в определенные точки, фермент GEF активировался и привлекал белок Rho к освещенным участкам.

Там белок запускал характерный каскад мышечных волокон, которые тянули или сжимали клетку в тех же освещенных точках.

Подобно тому, как дергают за нити марионетки, они могли управлять движениями клетки, например, заставляя ее принимать различные формы, включая квадрат.

Неожиданно они также обнаружили, что могут стимулировать клетку к масштабным сокращениям, освещая всего одну точку, если концентрация фермента превышала определенный порог.

"Мы поняли, что эта Rho-GEF цепь — это возбудимая система, где небольшой, своевременный стимул может вызвать масштабную реакцию "все или ничего", — говорит Фахри.

"Таким образом, мы можем осветить всю клетку или крошечный участок, чтобы фермент сконцентрировался в этой области, и система сама начала сокращаться или перетягиваться".

Исследователи систематизировали свои наблюдения и разработали теоретическую модель для предсказания того, как изменится форма клетки в зависимости от светового воздействия.

Эта модель, по словам Фахри, открывает окно в "возбудимость, лежащую в основе клеточной реорганизации, которая является фундаментальным процессом в развитии эмбриона и заживлении ран".

Она добавляет: "Эта работа дает основу для проектирования 'программируемых' синтетических клеток, позволяя исследователям произвольно управлять изменениями формы для будущих биомедицинских применений".

Эта работа была частично поддержана Фондом Слоуна и Национальным научным фондом.

Дополнительная информация

• Какие еще организмы, кроме морской звезды, используются в качестве модельных для изучения клеточного развития? - Часто используются дрозофила (плодовая мушка), нематода C. elegans, рыбка данио-рерио, а также мыши и лягушки Xenopus.
• Какие еще методы, кроме оптогенетики, используются для управления клеточными процессами? - Хемогенетика (использование химических соединений), CRISPR-интерференция (регуляция экспрессии генов), а также методы на основе ультразвука (сонагенетика).
• Какие конкретные медицинские применения могут иметь такие "программируемые" синтетические клетки? - Доставка лекарств к опухолям, регенерация поврежденных тканей, создание биосенсоров для диагностики заболеваний.
• Как именно белок Rho регулирует механику клетки на молекулярном уровне? - Rho активирует киназу ROCK, которая фосфорилирует белки цитоскелета, такие как миозин и актин, изменяя их сократительную активность и форму клетки.

Инженер разработал новый протокол безопасности для защиты миниатюрных беспроводных медицинских имплантатов от киберугроз

Имплантат мозга, предназначенный для контроля приступов, захвачен хакерами. Кардиостимулятор получает ложные сигналы, нарушающие его ритм. Хакер взламывает инсулиновую помпу, вызывая смертельную передозировку. Хотя эти сценарии звучат как сцены из научно-фантастического триллера, такие киберугрозы в сфере здравоохранения становятся реальной проблемой по мере развития медицинских технологий в сторону умных, беспроводных имплантатов.

Умные биоэлектронные имплантаты обещают революцию в здравоохранении, предоставляя врачам удаленный доступ для мониторинга и корректировки лечения.

Но по мере того, как эти устройства становятся более совершенными, они также становятся более уязвимыми.

Как и смартфоны или банковские счета, медицинские имплантаты могут стать мишенью для киберпреступников.

И когда это происходит, последствия могут быть угрожающими для жизни.

В Университете Райса инженер-электронщик и специалист по компьютерным технологиям Кайюань Ян работает над тем, чтобы опередить эти угрозы, разрабатывая устойчивые к взлому имплантаты, которые защищают пациентов от темной стороны медицинских инноваций.

"По мере развития биомедицинских технологий вопросы безопасности становятся все более критичными", — сказал Кайюань Ян, инженер Университета Райса, возглавляющий лабораторию Secure and Intelligent Micro-Systems (SIMS).

"Представьте крошечный медицинский имплантат без батареи — размером не больше зернышка риса — способный лечить заболевания без серьезных операций или курсов медикаментов.

Такие имплантаты, питаемые беспроводным способом и подключенные к интернету через носимый хаб, могут значительно улучшить автономность и качество жизни людей, страдающих хроническими заболеваниями, такими как эпилепсия или устойчивая к лечению депрессия", — сказал Ян, доцент кафедры электротехники и компьютерных технологий Университета Райса.

Передовые беспроводные имплантируемые технологии могут позволить врачам удаленно контролировать состояние здоровья пациентов и корректировать лечение, что делает ненужным проведение тестов и лечения на месте.

Но Ян предупреждает, что с этим потенциалом связан серьезный риск: хакеры могут перехватывать коммуникации, красть пароли или отправлять ложные команды, угрожая безопасности пациентов.

В недавней работе, представленной на Международной конференции по твердотельным схемам (ISSCC) — главной конференции Института инженеров электротехники и электроники (IEEE) — Ян и его команда представили уникальный протокол аутентификации для беспроводных, безбатарейных, ультраминиатюрных имплантатов, который обеспечивает защиту этих устройств, сохраняя при этом возможность экстренного доступа.

Протокол, известный как магнитоэлектрическая безопасность транспортного уровня передачи данных (ME-DTLS), использует особенность беспроводной передачи энергии — технологии, которая позволяет медицинским имплантатам получать питание извне без батареи.

Обычно, когда внешний источник питания — или, в данном случае, внешний хаб, носимый пациентом — немного смещается, количество энергии, получаемой имплантатом, колеблется.

"Боковое или поперечное движение вызывает смещение сигнала, что обычно считается недостатком таких систем, но мы превратили это в функцию безопасности, передавая двоичные значения на определенные движения с полным осознанием пациента", — сказал Ян.

Например, кодируя короткие движения как "1", а более длинные как "0", протокол позволяет пользователям вводить безопасный шаблон доступа, просто перемещая внешний хаб определенным образом.

Этот шаблонный ввод действует как второй фактор аутентификации, подобно вводу PIN-кода после использования пароля или рисованию узора для разблокировки телефона.

Общий пользовательский опыт с двухфакторной аутентификацией ME-DTLS очень напоминает процесс входа в банковские счета сегодня.

Пользователи вводят свои учетные данные, ждут SMS с временным кодом доступа, а затем вводят этот код для входа.

Это нововведение решает две основные проблемы в медицинской кибербезопасности.

Во-первых, оно защищает от кражи паролей, требуя физического подтверждения, которое невозможно подделать удаленно.

Во-вторых, оно гарантирует, что экстренные службы смогут получить доступ к устройству без необходимости предварительного обмена учетными данными.

Таким образом, если пациент без сознания или не может предоставить пароль, имплантат передает временный сигнал аутентификации, который может быть обнаружен только на близком расстоянии.

"Это гарантирует, что только авторизованное устройство поблизости может получить доступ к имплантату", — сказал Ян.

"В экстренных случаях имплантат проверяет спасателя или врача по шаблону, который они рисуют, и предоставляет им доступ, даже если нет интернет-соединения."

Используя внутреннюю особенность систем беспроводной передачи энергии, решение, разработанное Яном и его командой, избегает недостатков других мер безопасности для имплантируемых технологий, таких как добавление громоздких датчиков.

Исследователи протестировали метод ввода шаблонов с добровольцами и обнаружили, что он правильно распознает шаблоны в 98,72% случаев, что доказывает надежность и удобство их решения.

Команда также разработала быстрый и энергоэффективный метод для безопасной и эффективной передачи данных из имплантата.

"Насколько нам известно, мы первые, кто использовал естественный недостаток беспроводной передачи энергии для отправки защищенной информации в имплантат и реализации безопасной двухфакторной аутентификации в миниатюрных имплантатах", — сказал Ян.

"По сравнению с другими медицинскими устройствами, наш дизайн предлагает наилучший баланс между безопасностью, эффективностью и надежностью."

Для пациентов это может означать будущее, в котором их медицинские имплантаты будут как безопасными, так и доступными в самых важных ситуациях, предлагая простой и интуитивно понятный способ убедиться, что только нужные люди — будь то врач, опекун или спасатель — могут управлять технологией внутри их тела.

Ян и его команда представили свою работу на конференции ISSCC, которая прошла с 16 по 20 февраля в Сан-Франциско.

На конференции Ян получил награду IEEE Solid-State Circuits Society New Frontier Award, которая присуждается молодым исследователям за "инновационную и дальновидную техническую работу", согласно сайту IEEE.

В этом году команда Яна была частью большой группы преподавателей и студентов Университета Райса, которые представили свои работы на конференции и были отмечены за свои достижения.

Работа была поддержана Национальным научным фондом (2146476).

Дополнительная информация

• Как работает беспроводная передача энергии в медицинских имплантатах? - Беспроводная передача энергии в медицинских имплантатах обычно основана на электромагнитной индукции или резонансной связи. Энергия передается через электромагнитные поля, которые безопасно проходят через ткани тела, обеспечивая питание устройства без необходимости замены батареи.

• Какие ещё существуют методы защиты медицинских имплантатов от кибератак? - Для защиты медицинских имплантатов используются такие методы, как шифрование данных, строгая аутентификация пользователей, регулярные обновления программного обеспечения и создание изолированных сетей для передачи данных, чтобы минимизировать риск взлома.

• Какие ещё награды и достижения получил Кайюань Ян и его команда? - Кайюань Ян и его команда получили множество наград за свои исследования в области беспроводной передачи энергии и медицинских технологий, включая премии за инновации и публикации в ведущих научных журналах. Их работа также способствовала развитию новых стандартов безопасности для медицинских устройств.

Хорошие вибрации: ученые открыли революционный метод возбуждения фонон-поляритонов

Представьте мир, где ваш телефон остается прохладным, сколько бы вы его ни использовали, и при этом оснащен крошечными датчиками, способными с беспрецедентной чувствительностью и точностью идентифицировать опасные химические вещества или загрязнители. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature, демонстрирует новый способ генерации длинноволнового инфракрасного и терагерцового излучения, что является важным шагом на пути к созданию материалов, которые помогут реализовать эти технологические достижения. Работа, проведенная исследователями из Центра передовых научных исследований при Высшей школе CUNY (CUNY ASRC), открывает путь к созданию более дешевых и компактных источников длинноволнового инфракрасного света, а также к более эффективному охлаждению устройств.

Фонон-поляритоны — это уникальный тип электромагнитных волн, возникающих при взаимодействии света с колебаниями кристаллической решетки материала. Эти волны обладают несколькими уникальными характеристиками. Например, они могут концентрировать энергию длинноволнового инфракрасного света в чрезвычайно малых объемах, вплоть до десятков нанометров, а также эффективно отводить тепло от источника. Это делает фонон-поляритоны идеальными для высокотехнологичных применений, таких как субволновая визуализация, молекулярные датчики и управление теплом в электронике. Однако исследования фонон-поляритонных волн до сих пор в основном сосредоточены на фундаментальных исследованиях в лабораторных условиях, а практическое применение в устройствах остается малоизученным.

"Одной из основных проблем является то, что возбуждение и обнаружение фонон-поляритонных волн является дорогостоящим и неэффективным процессом, обычно требующим использования дорогих лазеров среднего инфракрасного или терагерцового диапазона, а также сканирующих зондов ближнего поля", — сказал ведущий автор исследования Цюши Го, профессор программы Photonics Initiative в CUNY ASRC и программы по физике в Высшей школе CUNY. "Мы хотели выяснить, можно ли излучать фонон-поляритоны с помощью всего лишь электрического тока, подобно тому, как работают полупроводниковые лазеры или светодиоды", — добавил Го.

В этом исследовании команда Го (в сотрудничестве с учеными из Йельского университета, Калифорнийского технологического института, Университета штата Канзас и ETH Zurich) обнаружила, что ключом к успеху является правильный выбор комбинации материалов: тонкий слой графена, зажатый между двумя пластинами из гексагонального нитрида бора (hBN).

Во-первых, в hBN фонон-поляритоны обладают значительно более высокой плотностью состояний и могут распространяться внутри материала, ведя себя как глубоко субволновые световые лучи, которые отражаются между границами материала. Эти специализированные фонон-поляритоны называются гиперболическими фонон-поляритонами (HPhPs).

Графен известен своей высокой подвижностью электронов при комнатной температуре. При инкапсуляции пластинами hBN его подвижность дополнительно увеличивается благодаря пассивации поверхности и снижению количества примесей. "Это означает, что когда ток проходит через графен, инкапсулированный пластинами hBN, электроны в графене могут ускоряться до очень высоких скоростей и эффективно взаимодействовать с HPhPs в hBN", — объяснил Го.

Идея оказалась успешной в эксперименте. Удивительно, но команда наблюдала излучение HPhPs при приложении к графену скромного электрического поля всего в 1 В/мкм, что подчеркивает эффективность электролюминесценции HPhPs. Исследование впервые экспериментально продемонстрировало возбуждение фонон-поляритонных волн исключительно с помощью электрических методов.

Исследование также выявило интересную физику, лежащую в основе электролюминесценции HPhPs. В частности, команда определила два возможных пути излучения HPhPs. "Когда концентрация электронов в графене низкая, HPhPs излучаются через межзонные переходы. Однако при более высокой концентрации электронов излучение HPhPs происходит как через межзонные переходы, так и через внутризонное черенковское излучение в графене", — сказал бывший постдок Калифорнийского технологического института Илья Эсин, ныне доцент физики в Университете Бар-Илан в Израиле и один из ведущих авторов исследования.

Это открытие не только открывает новые пути для разработки наномасштабных источников длинноволнового инфракрасного или терагерцового света, но и представляет захватывающие возможности для энергетических приложений. Во время электролюминесценции HPhPs горячие электроны в графене быстро теряют свою избыточную кинетическую энергию — основную причину перегрева. Использование этого механизма может обеспечить эффективное рассеивание тепла в электронных устройствах, отметил Го.

Электрически накачиваемые источники света на основе фонон-поляритонов открывают двери для практических и масштабируемых технологий. От молекулярного зондирования следующего поколения до улучшенного управления теплом в электронике, это нововведение закладывает основу для преобразующих достижений в энергоэффективных и компактных технологиях, которые могут переопределить наши современные устройства.

Дополнительная информация

• Какие еще материалы, кроме графена и hBN, могут быть использованы для генерации фонон-поляритонов? - Помимо графена и hBN, для генерации фонон-поляритонов могут использоваться такие материалы, как дисульфид молибдена (MoS₂), диселенид вольфрама (WSe₂) и другие двумерные материалы, а также кристаллы, такие как карбид кремния (SiC) и оксид алюминия (Al₂O₃).
• Как черенковское излучение в графене влияет на эффективность генерации HPhPs? - Черенковское излучение в графене может усиливать взаимодействие между электронами и фононами, что повышает эффективность генерации гиперзвуковых фонон-поляритонов (HPhPs). Это связано с тем, что черенковское излучение создает дополнительные каналы для передачи энергии.

Устройство обеспечивает прямое взаимодействие между несколькими квантовыми процессорами

Квантовые компьютеры обладают потенциалом для решения сложных задач, которые были бы не под силу даже самым мощным классическим суперкомпьютерам.

Подобно тому, как классический компьютер состоит из отдельных, но взаимосвязанных компонентов, таких как чип памяти и процессор на материнской плате, квантовому компьютеру необходимо передавать квантовую информацию между несколькими процессорами.

Современные архитектуры, используемые для соединения сверхпроводящих квантовых процессоров, имеют "точка-точка" связность, что означает необходимость серии передач между узлами сети, что приводит к накоплению ошибок.

На пути к преодолению этих проблем исследователи из MIT разработали новое устройство для взаимодействия, которое поддерживает масштабируемую связь "все-со-всеми", позволяя всем сверхпроводящим квантовым процессорам в сети напрямую взаимодействовать друг с другом.

Они создали сеть из двух квантовых процессоров и использовали свое устройство для передачи микроволновых фотонов туда и обратно по запросу в заданном пользователем направлении. Фотоны — это частицы света, которые могут переносить квантовую информацию.

Устройство включает в себя сверхпроводящий провод, или волновод, который перемещает фотоны между процессорами и может быть проложен на любое необходимое расстояние. Исследователи могут подключить любое количество модулей к этому волноводу, эффективно передавая информацию в масштабируемой сети процессоров.

Они использовали это устройство для демонстрации удаленной запутанности — типа корреляции между квантовыми процессорами, которые не соединены физически. Удаленная запутанность является ключевым шагом на пути к созданию мощной распределенной сети из множества квантовых процессоров.

"В будущем квантовому компьютеру, вероятно, понадобятся как локальные, так и нелокальные соединения. Локальные соединения естественны в массивах сверхпроводящих кубитов. Наше устройство позволяет создавать более нелокальные соединения. Мы можем отправлять фотоны на разных частотах, в разное время и в двух направлениях распространения, что придает нашей сети больше гибкости и пропускной способности", — говорит Азиза Альманкли, аспирант кафедры электротехники и компьютерных наук в группе Engineering Quantum Systems (EQuS) Исследовательской лаборатории электроники (RLE) и ведущий автор статьи об этом устройстве.

Ее соавторы включают Беатрис Янкелевич, аспиранта группы EQuS; старшего автора Уильяма Д. Оливера, профессора электротехники, компьютерных наук и физики MIT, сотрудника MIT Lincoln Laboratory, директора Центра квантовой инженерии и заместителя директора RLE; а также других исследователей из MIT и Lincoln Laboratory. Исследование будет опубликовано в журнале Nature Physics.

Масштабируемая архитектура

Ранее исследователи разработали модуль квантовых вычислений, который позволял им отправлять микроволновые фотоны, несущие информацию, в любом направлении вдоль волновода.

В новой работе они продвинули эту архитектуру на шаг вперед, подключив два модуля к волноводу для излучения фотонов в нужном направлении и их поглощения на другом конце.

Каждый модуль состоит из четырех кубитов, которые служат интерфейсом между волноводом, переносящим фотоны, и более крупными квантовыми процессорами.

Кубиты в модуле излучают и поглощают фотоны в волноводе, а затем передают эту информацию ближайшим кубитам данных, которые хранят результат взаимодействия.

Исследователи используют серию микроволновых импульсов для добавления энергии кубиту, который затем излучает фотон. Тщательный контроль фазы этих импульсов позволяет создать эффект квантовой интерференции, который позволяет излучать фотон в любом направлении вдоль волновода. Обращение импульсов во времени позволяет кубиту в другом модуле на любом расстоянии поглотить фотон.

"Передача и прием фотонов позволяют нам создать 'квантовое соединение' между нелокальными квантовыми процессорами, а с квантовыми соединениями приходит удаленная запутанность", — объясняет Оливер.

"Генерация удаленной запутанности — это важный шаг на пути к созданию крупномасштабного квантового процессора из модулей меньшего масштаба. Даже после того, как фотон исчез, у нас остается корреляция между двумя удаленными, или 'нелокальными', кубитами. Удаленная запутанность позволяет нам использовать эти корреляции и выполнять параллельные операции между двумя кубитами, даже если они больше не соединены и могут находиться далеко друг от друга", — поясняет Янкелевич.

Однако передача фотона между двумя модулями недостаточна для генерации удаленной запутанности. Исследователям необходимо подготовить кубиты и фотон так, чтобы модули "разделяли" фотон в конце протокола.

Генерация запутанности

Команда добилась этого, остановив импульсы излучения фотона на половине их длительности. В квантово-механическом смысле фотон одновременно удерживается и излучается. Классически можно представить, что половина фотона удерживается, а половина излучается.

Как только принимающий модуль поглощает этот "полуфотон", два модуля становятся запутанными.

Однако по мере движения фотона соединения, проволочные связи и стыки в волноводе искажают фотон и ограничивают эффективность поглощения принимающим модулем.

Чтобы генерировать удаленную запутанность с достаточно высокой точностью, исследователям нужно было максимизировать вероятность поглощения фотона на другом конце.

"Сложность этой работы заключалась в том, чтобы правильно сформировать фотон, чтобы максимизировать эффективность поглощения", — говорит Альманкли.

Они использовали алгоритм обучения с подкреплением, чтобы заранее изучить, как будет искажаться распространяющийся фотон. Затем они "предварительно исказили" фотон, чтобы он был сформирован наилучшим образом для максимизации излучения и поглощения при передаче между модулями.

Когда они применили этот оптимизированный протокол поглощения, им удалось достичь эффективности поглощения фотона более 60 процентов.

Эта эффективность поглощения достаточно высока, чтобы доказать, что конечное состояние после протокола является запутанным, что стало важной вехой в этой демонстрации.

"Мы можем использовать эту архитектуру для создания сети с полной связностью 'все-со-всеми'. Это означает, что у нас может быть несколько модулей, подключенных к одной шине, и мы можем создавать удаленную запутанность между любой выбранной парой", — говорит Янкелевич.

В будущем они могут улучшить эффективность поглощения, оптимизировав путь, по которому распространяются фотоны, возможно, интегрировав модули в 3D-структуру вместо использования сверхпроводящего провода, соединяющего отдельные микроволновые пакеты. Они также могут ускорить протокол, чтобы уменьшить вероятность накопления ошибок.

"В принципе, наш протокол генерации удаленной запутанности также может быть расширен для других типов квантовых компьютеров и более крупных систем квантового интернета", — говорит Альманкли.

Эта работа была частично поддержана Управлением армейских исследований США, Центром квантовых вычислений AWS и Управлением научных исследований ВВС США.

Дополнительная информация

• Как работает алгоритм обучения с подкреплением в контексте оптимизации передачи квантовой информации? - Алгоритм обучения с подкреплением помогает оптимизировать передачу квантовой информации, обучая агента выбирать стратегии, которые максимизируют эффективность передачи. Например, агент может учиться минимизировать потери информации или улучшать качество квантовой запутанности.

• Какие другие типы квантовых компьютеров могут использовать протокол генерации удаленной запутанности, упомянутый в статье? - Протокол генерации удаленной запутанности может использоваться в различных типах квантовых компьютеров, таких как сверхпроводящие кубиты, ионные ловушки и фотонные квантовые компьютеры. Каждый из этих типов использует уникальные физические системы для создания и управления запутанностью.

• Какие конкретные задачи могут решать квантовые компьютеры с использованием удаленной запутанности, которые недоступны для классических суперкомпьютеров? - Квантовые компьютеры с использованием удаленной запутанности могут решать задачи, такие как квантовая криптография для безопасной передачи данных, квантовое моделирование сложных молекул для разработки новых лекарств и ускорение алгоритмов оптимизации, которые классическим компьютерам недоступны из-за их ограниченной вычислительной мощности.

Исследователи впервые получили высококачественные КТ-снимки плотных объектов с использованием лазера

Исследовательская группа под руководством Университета штата Колорадо достигла нового рубежа в технологии 3D-рентгеновской визуализации. Ученые впервые получили высококачественные КТ-снимки внутренней структуры крупного плотного объекта — лопатки газовой турбины — с использованием компактного лазерного источника рентгеновского излучения.

Результаты исследования, опубликованные на этой неделе в журнале Optica, описывают научные и инженерные основы этой новой возможности рентгеновской визуализации и ее потенциальные преимущества для различных отраслей, от аэрокосмической промышленности до аддитивного производства.

Проект является результатом многолетнего сотрудничества исследователей из отделов электротехники, компьютерной инженерии и физики Университета штата Колорадо и Национальной лаборатории Лос-Аламоса, при участии британской компании AWE.

"Эта демонстрация — только начало", — сказал Рид Холлингер, доцент Университета штата Колорадо и ведущий автор исследования. "Мы используем лазер ALEPH, созданный в Университете штата Колорадо, для генерации чрезвычайно ярких источников рентгеновского излучения, чтобы проводить высококачественную рентгенографию и КТ. По мере развития нашей новой установки наша цель — расширить это направление, чтобы оно могло оказать широкое влияние".

Подход команды предлагает быстрый и неразрушающий способ получения детального изображения внутренней структуры плотных объектов, таких как компоненты ракет и турбореактивных двигателей. С ростом аддитивного производства новая технология может значительно улучшить контроль качества, сохраняя целостность 3D-печатных деталей.

Лазерная визуализация следующего поколения в Университете штата Колорадо

Современные промышленные КТ-сканеры не только массивны и дороги, но и создают изображения с разрешением на уровне миллиметров. Лазерный подход команды позволяет генерировать гораздо меньший источник рентгеновского излучения, что обеспечивает значительно более высокое разрешение без снижения энергии рентгеновских лучей.

"Маленький источник рентгеновского излучения с энергией в мегаэлектронвольты — это самый важный инструмент, который потенциально доступен для улучшения высококачественной визуализации с использованием рентгеновских лучей с энергией в мегаэлектронвольты", — сказал Джеймс Хантер из Национальной лаборатории Лос-Аламоса, который сотрудничал с Холлингером в исследовании.

Метод, основанный на сложной физике, использует лазер класса петаватт, сфокусированный до интенсивности 10^21 Вт/см², чтобы ускорить пучок электронов до нескольких миллионов вольт на расстоянии в несколько микрон — меньше ширины человеческого волоса. Электроны в пучке сталкиваются с тяжелыми атомами в мишени, что заставляет их замедляться и преобразовывать свою кинетическую энергию в рентгеновские лучи. Эти рентгеновские лучи имеют значительно более высокую энергию, чем те, что используются в традиционных рентгеновских трубках в больницах. Повышенная энергия рентгеновских лучей необходима для проникновения в плотные объекты, такие как лопатки турбин, показанные в исследовании.

"Для сравнения, энергия традиционного больничного источника рентгеновского излучения составляет всего десятки тысяч вольт, в отличие от нашего источника, который достигает миллионов вольт", — сказал Холлингер, который является частью инженерного колледжа Уолтера Скотта-младшего в Университете штата Колорадо.

Каждый импульс рентгеновского излучения длится всего несколько триллионных долей секунды, что позволяет проводить временную рентгенографию объектов, движущихся с невероятной скоростью.

"Например, однажды мы сможем получить высококачественные 3D-изображения внутренней части реактивного двигателя во время его работы. В настоящее время нет других источников рентгеновского излучения, способных на это", — сказал Холлингер.

Работа команды Университета штата Колорадо является частью более масштабного видения использования высокоинтенсивных лазерных источников для широкого спектра применений, от изучения инерционного термоядерного синтеза до генерации ярких пучков электронов с энергией в гигаэлектронвольты и рентгеновских лучей с энергией в мегаэлектронвольты. Это одна из многих технологий, которые исследователи стремятся масштабировать с использованием расширенных возможностей новой установки университета — Advanced Technology Lasers for Applications and Science (ATLAS), которая должна быть запущена в конце 2026 года.

Дополнительная информация

• Как работает лазер класса петаватт и почему его интенсивность (10^21 Вт/см²) важна для генерации рентгеновских лучей? - Лазер класса петаватт достигает экстремальной интенсивности, что позволяет создавать сверхсильные электромагнитные поля. Эти поля ускоряют электроны до релятивистских скоростей, что приводит к генерации рентгеновских лучей через процессы, такие как тормозное излучение и обратное комптоновское рассеяние.

• Какие еще применения, помимо визуализации, могут иметь высокоэнергетические рентгеновские лучи с энергией в мегаэлектронвольты? - Высокоэнергетические рентгеновские лучи используются в медицине для лечения рака (радиотерапия), в материаловедении для изучения структуры материалов на атомном уровне, а также в астрофизике для исследования экстремальных космических явлений, таких как черные дыры и нейтронные звезды.

Новые глазные капли замедляют потерю зрения у животных.

Исследователи из Национальных институтов здравоохранения (NIH) разработали глазные капли, которые продлевают зрение у животных с моделями группы наследственных заболеваний, приводящих к прогрессирующей потере зрения у людей, известных как пигментный ретинит. Капли содержат небольшой фрагмент, полученный из белка, вырабатываемого организмом и обнаруженного в глазу, известного как фактор, производный от пигментного эпителия (PEDF). PEDF помогает сохранять клетки сетчатки глаза. Отчет об исследовании опубликован в журнале Communications Medicine.

"Хотя это не лекарство, данное исследование показывает, что глазные капли на основе PEDF могут замедлить прогрессирование различных дегенеративных заболеваний сетчатки у животных, включая различные типы пигментного ретинита и сухую возрастную макулярную дегенерацию (AMD)", — сказала Патрисия Бесерра, доктор философии, руководитель отдела структуры и функции белков Национального института глаз NIH и старший автор исследования. "Учитывая эти результаты, мы с нетерпением ждем начала испытаний этих капель на людях".

Все дегенеративные заболевания сетчатки имеют общую черту — клеточный стресс. Хотя источник стресса может варьироваться — десятки мутаций и генетических вариантов связаны с пигментным ретинитом, AMD и другими расстройствами — высокий уровень клеточного стресса приводит к постепенной потере функции и гибели клеток сетчатки. Прогрессирующая потеря фоторецепторных клеток приводит к ухудшению зрения и, в конечном итоге, к слепоте.

Предыдущие исследования лаборатории Бесерры показали, что в модели мышей естественный белок PEDF может помочь клеткам сетчатки противостоять эффектам клеточного стресса. Однако полный белок PEDF слишком велик, чтобы пройти через внешние ткани глаза и достичь сетчатки, а также имеет множество функций в тканях сетчатки, что делает его непрактичным для лечения. Чтобы оптимизировать способность молекулы сохранять клетки сетчатки и помочь ей достичь задней части глаза, Бесерра разработала серию коротких пептидов, полученных из области PEDF, которая поддерживает жизнеспособность клеток. Эти небольшие пептиды могут проникать через ткани глаза и связываться с рецепторными белками PEDF на поверхности сетчатки.

В этом новом исследовании, возглавляемом первым автором Александрой Бернардо-Колон, команда Бесерры создала две формы глазных капель, каждая из которых содержала короткий пептид. Первый кандидат, называемый "17-мер", содержит 17 аминокислот, обнаруженных в активной области PEDF. Второй пептид, H105A, похож, но связывается с рецептором PEDF сильнее. Пептиды, нанесенные на поверхность глаза мышей в виде капель, были обнаружены в высокой концентрации в сетчатке в течение 60 минут, постепенно уменьшаясь в течение следующих 24–48 часов. Ни один из пептидов не вызвал токсичности или других побочных эффектов.

При ежедневном применении молодым мышам с заболеванием, похожим на пигментный ретинит, H105A замедлял дегенерацию фоторецепторов и потерю зрения. Для тестирования капель исследователи использовали специально выведенных мышей, которые теряют фоторецепторы вскоре после рождения. Как только начинается потеря клеток, большинство фоторецепторов погибает в течение недели. При применении пептидных капель в течение этой недели мыши сохраняли до 75% фоторецепторов и продолжали демонстрировать сильные реакции сетчатки на свет, в то время как у мышей, получавших плацебо, оставалось мало фоторецепторов и практически отсутствовало функциональное зрение к концу недели.

"Впервые мы показали, что глазные капли, содержащие эти короткие пептиды, могут проникать в глаз и оказывать терапевтическое воздействие на сетчатку", — сказала Бернардо-Колон. "У животных, получавших пептид H105A, сетчатка выглядит значительно здоровее, без негативных побочных эффектов".

Различные ген-специфические терапии разрабатываются для многих типов пигментного ретинита, которые обычно начинаются в детстве и прогрессируют в течение многих лет. Эти глазные капли на основе пептидов PEDF могут сыграть ключевую роль в сохранении клеток, пока эти генетические терапии не станут доступны клинически.

Чтобы проверить, достаточно ли здоровы фоторецепторы, сохраненные с помощью капель, для работы генной терапии, сотрудники Валерия Мариго, доктор философии, и Андреа Бигинати, доктор философии, из Университета Модены, Италия, провели генную терапию мышам в конце недельного курса капель. Генная терапия успешно сохранила зрение как минимум на дополнительные шесть месяцев.

Чтобы проверить, могут ли капли работать у людей — без непосредственного тестирования на людях — исследователи сотрудничали с Натальей Вергарой, доктором философии, из Университета Колорадо Аншутц, Аврора, для тестирования пептидов на модели дегенерации сетчатки человека. Ткани сетчатки, выращенные в чашке Петри из человеческих клеток, подвергались воздействию химических веществ, вызывающих высокий уровень клеточного стресса. Без пептидов клетки модели ткани быстро погибали, но с пептидами ткани сетчатки оставались жизнеспособными. Эти данные на человеческих тканях представляют собой важный первый шаг для поддержки испытаний капель на людях.

Исследование финансировалось Программой внутренних исследований NEI. Дополнительное финансирование было предоставлено Обществом предотвращения слепоты, Fondazione Telethon, Фондом HEAL-ITALIA,

Дополнительная информация

• Какие другие заболевания сетчатки, кроме пигментного ретинита, могут быть потенциально вылечены с помощью глазных капель на основе PEDF? - PEDF может быть полезен при лечении возрастной макулярной дегенерации (ВМД) и диабетической ретинопатии, так как он защищает клетки сетчатки от повреждений.
• Как именно PEDF помогает клеткам сетчатки противостоять клеточному стрессу? - PEDF стимулирует выживание клеток, подавляя апоптоз (запрограммированную гибель клеток) и уменьшая окислительный стресс.
• Какие этапы клинических испытаний на людях предстоят для этих глазных капель? - После доклинических исследований на животных, глазные капли на основе PEDF должны пройти фазы I (безопасность), II (дозировка и эффективность) и III (масштабные испытания эффективности).
• Какие ген-специфические терапии разрабатываются для пигментного ретинита? - Разрабатываются терапии, такие как CRISPR-Cas9 и антисмысловые олигонуклеотиды, направленные на исправление мутаций в генах, таких как RHO, RPGR и USH2A.
• Какие организации, кроме NIH, финансируют исследования в области лечения дегенеративных заболеваний сетчатки? - Исследования также финансируются Фондом борьбы со слепотой (Foundation Fighting Blindness), Европейским исследовательским советом (ERC) и частными фармацевтическими компаниями.
• Какие химические вещества использовались для создания клеточного стресса в моделях человеческой ткани? - В исследованиях часто используются перекись водорода (H2O2) и глутамат для моделирования окислительного стресса и повреждения клеток.

Полная версия:: New eye drops slow vision loss in animals

Новый инструмент ИИ создает высококачественные изображения быстрее, чем современные подходы.

Способность быстро генерировать высококачественные изображения крайне важна для создания реалистичных симулированных сред, которые можно использовать для обучения беспилотных автомобилей избегать непредсказуемых опасностей, делая их безопаснее на реальных дорогах.

Однако генеративные технологии ИИ, которые все чаще используются для создания таких изображений, имеют свои недостатки.

Один популярный тип моделей, называемый диффузионной моделью, может создавать поразительно реалистичные изображения, но он слишком медленный и требует значительных вычислительных ресурсов для многих приложений.

С другой стороны, авторегрессионные модели, которые лежат в основе таких языковых моделей, как ChatGPT, работают намного быстрее, но создают изображения более низкого качества, часто с множеством ошибок.

Исследователи из MIT и NVIDIA разработали новый подход, который объединяет лучшие черты обоих методов.

Их гибридный инструмент для генерации изображений использует авторегрессионную модель для быстрого создания общего плана, а затем небольшую диффузионную модель для уточнения деталей изображения.

Их инструмент, известный как HART (сокращение от Hybrid Autoregressive Transformer), может создавать изображения, которые соответствуют или превосходят качество современных диффузионных моделей, но делает это примерно в девять раз быстрее.

Процесс генерации потребляет меньше вычислительных ресурсов, чем типичные диффузионные модели, что позволяет HART работать локально на коммерческом ноутбуке или смартфоне.

Пользователю достаточно ввести один текстовый запрос на естественном языке в интерфейс HART, чтобы сгенерировать изображение.

HART может иметь широкий спектр применений, например, помогать исследователям обучать роботов выполнять сложные задачи в реальном мире или помогать дизайнерам создавать впечатляющие сцены для видеоигр.

"Если вы рисуете пейзаж и просто закрашиваете весь холст один раз, результат может выглядеть не очень хорошо. Но если вы сначала создаете общий план, а затем уточняете изображение с помощью более мелких мазков, ваша картина может выглядеть намного лучше. Это основная идея HART", — говорит Хаотан Тан, PhD '25, соавтор новой статьи о HART.

К нему присоединились соавтор Йечэн У, студент бакалавриата Университета Цинхуа; старший автор Сун Хан, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук (EECS), член лаборатории MIT-IBM Watson AI Lab и ведущий ученый NVIDIA; а также другие исследователи из MIT, Университета Цинхуа и NVIDIA.

Исследование будет представлено на Международной конференции по представлениям обучения.

Лучшее из двух миров

Популярные диффузионные модели, такие как Stable Diffusion и DALL-E, известны своей способностью создавать изображения с высокой детализацией.

Эти модели генерируют изображения через итеративный процесс, на каждом шаге предсказывая некоторое количество случайного шума для каждого пикселя, удаляя шум, а затем повторяя процесс предсказания и "очистки" несколько раз, пока не создадут новое изображение, полностью свободное от шума.

Поскольку диффузионная модель очищает все пиксели изображения на каждом шаге, а шагов может быть 30 или более, процесс оказывается медленным и требует значительных вычислительных ресурсов.

Но поскольку у модели есть несколько попыток исправить ошибки в деталях, изображения получаются высококачественными.

Авторегрессионные модели, обычно используемые для предсказания текста, могут генерировать изображения, предсказывая фрагменты изображения последовательно, по несколько пикселей за раз.

Они не могут вернуться и исправить свои ошибки, но последовательный процесс предсказания происходит намного быстрее, чем в диффузионных моделях.

Эти модели используют представления, известные как токены, для выполнения предсказаний.

Авторегрессионная модель использует автоэнкодер для сжатия исходных пикселей изображения в дискретные токены, а также для восстановления изображения из предсказанных токенов.

Хотя это повышает скорость модели, потеря информации, происходящая во время сжатия, приводит к ошибкам при генерации нового изображения.

В HART исследователи разработали гибридный подход, который использует авторегрессионную модель для предсказания сжатых дискретных токенов изображения, а затем небольшую диффузионную модель для предсказания остаточных токенов.

Остаточные токены компенсируют потерю информации моделью, захватывая детали, упущенные дискретными токенами.

"Мы можем достичь значительного улучшения в качестве реконструкции. Наши остаточные токены изучают высокочастотные детали, такие как края объекта, волосы, глаза или рот человека. Это те места, где дискретные токены могут ошибаться", — говорит Тан.

Поскольку диффузионная модель предсказывает только оставшиеся детали после того, как авторегрессионная модель выполнила свою работу, она может справиться с задачей за восемь шагов, вместо обычных 30 или более, которые требуются стандартной диффузионной модели для генерации всего изображения.

Минимальные накладные расходы на дополнительную диффузионную модель позволяют HART сохранить преимущество в скорости авторегрессионной модели, значительно улучшив при этом способность создавать сложные детали изображения.

"Диффузионной модели легче выполнять свою работу, что приводит к большей эффективности", — добавляет он.

Превосходство над более крупными моделями

В процессе разработки HART исследователи столкнулись с трудностями в эффективной интеграции диффузионной модели для улучшения авторегрессионной модели.

Они обнаружили, что включение диффузионной модели на ранних этапах авторегрессионного процесса приводит к накоплению ошибок.

В

Дополнительная информация

• Как именно остаточные токены помогают улучшить качество изображений в HART? - Остаточные токены позволяют модели уточнять детали изображения, что приводит к более высокому качеству и четкости.
• Какие конкретные задачи в обучении роботов могут быть улучшены с помощью HART? - HART может улучшить задачи, такие как распознавание объектов, навигация в сложных средах и интерпретация визуальных данных.
• Какие вычислительные ресурсы требуются для работы HART на коммерческих устройствах? - HART требует мощных GPU и значительного объема оперативной памяти, что может быть ограничением для устройств с низкой производительностью.
• Как HART сравнивается с другими гибридными моделями генерации изображений? - HART часто превосходит другие модели благодаря своей способности комбинировать различные подходы, что приводит к более реалистичным и детализированным изображениям.
• Какие ограничения или проблемы могут возникнуть при использовании HART в реальных приложениях? - Основные ограничения включают высокую вычислительную сложность и необходимость больших объемов данных для обучения.
• Как HART может быть интегрирован в существующие системы разработки видеоигр? - HART может быть использован для генерации текстур, создания окружения и других элементов игрового дизайна, что ускоряет процесс разработки.

Полная версия:: New AI tool generates high-quality images faster than state-of-the-art approaches

Исследование в VR показало, как боль и страх ослабляют чувство принадлежности тела.

Исследование, проведенное в Университете Хиросимы, показало, что когда людей просили представить, что их виртуальные тела испытывают боль, их мозг сопротивлялся иллюзии принадлежности. Эти результаты могут пролить свет на то, почему некоторые люди испытывают трудности с ощущением связи со своим телом, особенно в контекстах, связанных с деперсонализацией или негативными физическими состояниями.

Чувство принадлежности тела — ощущение, что наше тело принадлежит нам, — играет ключевую роль в том, чтобы отличать себя от объектов и реагировать на угрозы. Исследователи изучают его с помощью таких техник, как иллюзия резиновой руки (RHI) и иллюзия всего тела (FBI), в которых человека каким-либо образом побуждают идентифицировать себя с искусственным или виртуальным телом. Чтобы изучить, как чувство принадлежности тела может быть нарушено, исследователи проверяют, ослабляют ли факторы "сверху вниз" — когда предыдущие знания, воспоминания и убеждения формируют то, как мы воспринимаем и интерпретируем новую информацию или стимулы, — иллюзию, когда участников просят идентифицировать себя с виртуальным телом в негативном физическом состоянии.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Frontiers in Psychology в декабре 2024 года.

"Используя иллюзию всего тела в виртуальной реальности — когда люди начинают ощущать виртуальное тело как свое собственное, — мы исследовали, как интерпретация виртуального тела как своего собственного в негативном физическом состоянии влияет на эту иллюзию. Это исследование может быть связано с деперсонализацией, состоянием, при котором люди испытывают трудности с ощущением своего тела как своего собственного", — сказал Казуки Ямамото, исследователь и автор исследования.

Участникам было предложено смотреть на виртуальное тело сзади с помощью гарнитуры виртуальной реальности (VR) и представлять его как свое собственное. Участники наблюдали, как виртуальное тело гладят по спине, в то время как их собственное физическое тело также гладили, что успешно вызывало иллюзию. Это способ использования факторов "снизу вверх", которые начинаются с внешнего стимула для интеграции визуально-тактильной информации, и это хорошо проверенный метод успешного влияния на FBI.

Чтобы проверить эффект факторов "сверху вниз", тот же процесс был проведен с добавлением идентификации с виртуальным телом как своим собственным в негативном физическом состоянии (ощущение боли в животе). После того как участник наблюдал, как его виртуальное тело гладят по спине, предъявлялся стимул страха в виде ножа, вонзающегося в спину виртуального тела. Реакция страха измерялась с помощью кожной проводимости, и степень проводимости затем соотносилась с тем, насколько сильно участник идентифицировал себя с виртуальным телом.

Одним из ключевых моментов этого исследования является использование факторов "сверху вниз", которые представляют собой ожидания или предубеждения относительно того, как что-то должно ощущаться на основе предыдущего опыта или взаимодействий, чтобы определить, могут ли они также влиять на чувство принадлежности тела.

Результаты показали, что иллюзия всего тела подавлялась, когда участников просили рассматривать виртуальное тело как свое собственное с болью в животе, и чем выше была степень склонности к деперсонализации у участников, тем слабее была FBI.

Исследователи предполагают, что это может быть связано с несколькими факторами, одним из которых является манипуляция с использованием факторов "сверху вниз". Другое предположение заключается в том, что участникам могло быть трудно воспринимать негативные физические симптомы, поэтому им было трудно полностью установить связь "виртуальное тело — это мое тело", что является ключевым для возникновения иллюзии.

Учитывая результаты исследования, можно провести дополнительные исследования, чтобы полностью понять, почему произошло подавление иллюзии.

"Хотя мы наблюдали этот подавляющий эффект, необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, был ли он вызван именно негативной интерпретацией или различиями между реальным и виртуальным состоянием тела", — сказал Такаши Накао, исследователь и автор исследования.

Фундамент, заложенный этим исследованием и последующими исследованиями, может помочь в клиническом вмешательстве для тех, кто страдает от нарушенного чувства принадлежности тела, таких как люди с расстройством деперсонализации-дереализации. Эта работа может улучшить чувство принадлежности тела у таких людей, что может значительно улучшить их жизнь, не только в целях безопасности, но и в сенсорных и перцептивных аспектах.

Дополнительная информация

• Как именно работает иллюзия резиновой руки (RHI) и чем она отличается от иллюзии всего тела (FBI)? - Иллюзия резиновой руки возникает, когда мозг объединяет визуальные и тактильные сигналы, создавая ощущение, что резиновая рука является частью тела. Иллюзия всего тела (FBI) работает аналогично, но охватывает все тело, создавая ощущение, что виртуальное или искусственное тело принадлежит человеку.

• Какие еще факторы "сверху вниз" могут влиять на восприятие тела, помимо боли и страха? - К таким факторам относятся внимание, ожидания, стресс, медитация и культурные установки. Например, стресс может искажать восприятие тела, а медитация — улучшать его.

• Какие существуют методы лечения для людей с расстройством деперсонализации-дереализации? - Основные методы лечения включают психотерапию, особенно когнитивно-поведенческую терапию (КПТ), а также медикаментозное лечение, например, антидепрессанты или анксиолитики.

• Как виртуальная реальность используется в других психологических исследованиях, помимо изучения чувства принадлежности тела? - Виртуальная реальность используется для терапии фобий, лечения посттравматического стрессового расстройства (ПТСР) и тренировки социальных навыков, например, у людей с аутизмом.

• Какие механизмы в мозге отвечают за формирование чувства принадлежности тела? - За это отвечают теменная доля, островковая доля и процессы мультисенсорной интеграции. Эти области мозга обрабатывают визуальные, тактильные и проприоцептивные сигналы, создавая ощущение принадлежности тела.

Полная версия:: VR study reveals how pain and fear weaken sense of body ownership

Почему мы не помним себя младенцами? Новое исследование дает подсказки.

Хотя мы многому учимся в первые годы жизни, будучи взрослыми, мы не можем вспомнить конкретные события того времени. Исследователи долгое время считали, что мы не сохраняем эти воспоминания, потому что часть мозга, отвечающая за их хранение, — гиппокамп — продолжает развиваться вплоть до подросткового возраста и просто не способна кодировать воспоминания в самые ранние годы жизни. Однако новое исследование Йельского университета показывает, что это не так.

В ходе исследования ученые из Йеля показывали младенцам новые изображения, а затем проверяли, запомнили ли они их. Оказалось, что если гиппокамп младенца был более активен при первом просмотре изображения, то позже он с большей вероятностью узнавал это изображение.

Результаты, опубликованные 20 марта в журнале Science, указывают на то, что воспоминания действительно могут кодироваться в мозге в первые годы жизни. Теперь исследователи изучают, что происходит с этими воспоминаниями с течением времени.

Наша неспособность помнить конкретные события из первых лет жизни называется "младенческой амнезией". Однако изучение этого феномена представляет сложность.

"Характерной чертой таких воспоминаний, которые мы называем эпизодическими, является то, что вы можете описать их другим, но это невозможно, когда речь идет о младенцах, которые еще не умеют говорить", — сказал Ник Терк-Браун, профессор психологии факультета искусств и наук Йельского университета, директор Института Ву Цай и старший автор исследования.

Для исследования ученые хотели найти надежный способ проверить эпизодическую память младенцев. Команда под руководством Тристана Йейтса, бывшего аспиранта, а ныне постдокторанта Колумбийского университета, использовала подход, при котором младенцам в возрасте от четырех месяцев до двух лет показывали изображения новых лиц, объектов или сцен. Позже, после того как младенцы видели несколько других изображений, исследователи показывали им ранее увиденное изображение рядом с новым.

"Когда младенцы видят что-то всего один раз, мы ожидаем, что они будут дольше смотреть на это при повторном просмотре", — объяснил Терк-Браун. "Таким образом, если младенец дольше смотрит на ранее увиденное изображение, чем на новое, это можно интерпретировать как узнавание знакомого объекта".

В новом исследовании команда, которая за последнее десятилетие разработала методы проведения функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) у бодрствующих младенцев (что исторически было сложно из-за их короткой концентрации внимания и неспособности оставаться неподвижными или следовать инструкциям), измеряла активность гиппокампа младенцев во время просмотра изображений.

В частности, исследователи оценивали, связана ли активность гиппокампа с силой воспоминаний младенцев. Они обнаружили, что чем выше была активность гиппокампа, когда младенец смотрел на новое изображение, тем дольше он смотрел на него при повторном показе. При этом задняя часть гиппокампа (ближе к затылку), где активность кодирования была наиболее сильной, — это та же область, которая наиболее связана с эпизодической памятью у взрослых.

Эти результаты были верны для всей выборки из 26 младенцев, но наиболее выражены у тех, кто старше 12 месяцев (половина группы). Этот возрастной эффект способствует более полной теории о том, как гиппокамп развивается для поддержки обучения и памяти, отметил Терк-Браун.

Ранее команда обнаружила, что гиппокамп младенцев в возрасте всего трех месяцев демонстрирует другой тип памяти, называемый "статистическим обучением". Если эпизодическая память связана с конкретными событиями, например, ужином в тайском ресторане с гостями из другого города, то статистическое обучение связано с выявлением закономерностей, таких как внешний вид ресторанов, районы, где можно найти определенные кухни, или типичный процесс обслуживания.

Эти два типа памяти используют разные нейронные пути в гиппокампе. В прошлых исследованиях на животных ученые показали, что путь статистического обучения, который находится в передней части гиппокампа (ближе ко лбу), развивается раньше, чем путь эпизодической памяти. Поэтому Терк-Браун предположил, что эпизодическая память может появляться позже, примерно в возрасте одного года или старше.

Он считает, что такая последовательность развития логична, если учитывать потребности младенцев. "Статистическое обучение связано с выявлением структуры окружающего мира, — сказал он. — Это критически важно для развития языка, зрения, понятий и многого другого. Поэтому понятно, почему статистическое обучение может появляться раньше, чем эпизодическая память".

Тем не менее, последнее исследование команды показывает, что эпизодические воспоминания могут кодироваться гиппокампом раньше, чем считалось ранее, задолго до самых ранних воспоминаний, которые мы можем описать во взрослом возрасте.

Так что же происходит с этими воспоминаниями? Терк-Браун предлагает несколько возможностей. Одна из них заключается в том, что воспоминания могут не переходить в долговременное хранение и просто не сохраняются. Другая — что воспоминания все еще существуют спустя долгое время после кодирования, но мы просто не можем получить к ним доступ. И Терк-Браун склоняется ко второму варианту.

В текущей работе его команда проверяет, могут ли младенцы, малыши и дети помнить домашние видео, снятые с их точки зрения, когда они были младше. Предварительные результаты показывают, что

Дополнительная информация

• Как гиппокамп кодирует воспоминания у взрослых и чем это отличается от процесса у младенцев? - У взрослых гиппокамп кодирует эпизодические воспоминания, связывая их с контекстом. У младенцев гиппокамп еще не полностью развит, что ограничивает их способность формировать долговременные воспоминания.
• Что такое статистическое обучение и как оно связано с развитием языка и зрения у младенцев? - Статистическое обучение — это процесс выявления закономерностей в окружающей среде. У младенцев оно помогает распознавать звуки, слова и визуальные паттерны, что важно для развития языка и зрения.
• Почему задняя часть гиппокампа более активна при эпизодической памяти, а передняя — при статистическом обучении? - Задняя часть гиппокампа связана с пространственной и эпизодической памятью, а передняя — с обработкой новой информации и статистическим обучением.
• Какие еще методы, кроме фМРТ, используются для изучения памяти у младенцев? - Кроме фМРТ, используются методы, такие как ЭЭГ, отслеживание движений глаз и поведенческие тесты.
• Как возрастные изменения в гиппокампе влияют на способность к обучению у детей старше 12 месяцев? - С возрастом гиппокамп развивается, что улучшает способность детей к обучению и запоминанию.
• Какие доказательства существуют в пользу того, что ранние воспоминания все еще хранятся, но недоступны? - Исследования показывают, что ранние воспоминания могут сохраняться, но становятся недоступными из-за незрелости гиппокампа.
• Как исследования на животных помогли понять развитие памяти у младенцев? - Изучение памяти у животных, таких как крысы, помогает понять, как развивается память у младенцев, так как их мозг имеет схожие механизмы.

Полная версия:: Why don't we remember being a baby? New study provides clues

Мюонные атомы открывают новые возможности в ядерной физике.

Исследователи из Университета Квинсленда совершили прорыв в изучении мюонных атомов, открыв путь для новых экспериментов в области ядерной физики.

Команда из Школы математики и физики Университета Квинсленда объединила теорию и эксперименты, чтобы показать, что ядерная поляризация не ограничивает исследования мюонных атомов.

Соавтор исследования доктор Одиль Смитс заявила, что это открытие предоставляет четкий путь для использования мюонных атомов с целью лучшего понимания магнитной структуры ядра.

"Мюонные атомы действительно удивительны!" — сказала доктор Смитс.

"Мюон — это тяжелая версия электрона, которая может быть создана космическими лучами или в лаборатории.

"Они могут вращаться вокруг ядра, как электроны, образуя мюонные атомы, но поскольку они находятся гораздо ближе к ядру, они видят его структуру с гораздо большей детализацией."

Эксперименты с использованием мюонных атомов долгое время затруднялись из-за неопределенности в том, как ядерная поляризация влияет на сверхтонкую структуру, которая представляет собой небольшое расщепление энергии внутри атомов.

Ядерная поляризация искажает форму ядра, подобно тому, как Луна вызывает приливы на Земле.

"Наша работа показала, что эффект ядерной поляризации в мюонных атомах значительно меньше, чем считалось ранее," — отметила доктор Смитс.

Команду возглавляла доцент Университета Квинсленда Джасинда Гингес, которая заявила, что этот прорыв устраняет главное препятствие для изучения мюонных атомов.

"Это открывает путь для новых экспериментов, которые углубят наше понимание структуры ядра и фундаментальной физики."

Команда сотрудничала с доктором Натальей Орешкиной из Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге, Германия, которая подтвердила результаты с помощью независимых расчетов.

Открытие Университета Квинсленда станет стимулом для новых экспериментов с мюонными атомами, таких как те, что проводятся в Институте Пауля Шеррера в Цюрихе, где уже идет исследовательская программа по более детальному изучению этих экзотических атомов.

Дополнительная информация

• Как мюоны создаются в лабораторных условиях? - Мюоны создаются в ускорителях частиц, где протоны сталкиваются с мишенями, что приводит к образованию пионов, которые затем распадаются на мюоны и нейтрино.
• Какие еще экзотические атомы, кроме мюонных, используются в ядерной физике для изучения структуры ядра? - В ядерной физике также используются пионные атомы (где электрон заменен на пион) и каонные атомы (где электрон заменен на каон) для изучения структуры ядра и сильных взаимодействий.

Полная версия:: Muonic atoms unlock new possibilities in nuclear physics

Производство топлива для ядерного синтеза запрещено в США из-за токсичности, но исследователи нашли альтернативу.

Литий-6 необходим для производства топлива для ядерного синтеза, но его выделение из гораздо более распространенного изотопа, лития-7, обычно требует использования жидкой ртути, которая чрезвычайно токсична. Теперь исследователи разработали метод выделения лития-6 без использования ртути, который так же эффективен, как и традиционный метод. Новый метод представлен 20 марта в журнале Chem издательства Cell Press.

"Это шаг к решению одной из главных проблем ядерной энергетики", — говорит химик и старший автор исследования Сарбаджит Банерджи из ETH Zürich и Техасского университета A&M. "Литий-6 — это критически важный материал для возрождения ядерной энергетики, и этот метод может стать жизнеспособным подходом к разделению изотопов."

Традиционный метод выделения лития-6, называемый процессом COLEX, предполагает использование жидкой ртути и был запрещен в США с 1963 года из-за проблем с загрязнением окружающей среды. С тех пор почти весь литий-6, используемый в исследованиях в США, поступает из сокращающегося запаса, хранящегося в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси. Наличие безопасного метода выделения лития-6 станет ключом к использованию ядерного синтеза в качестве устойчивого источника энергии.

Исследователи случайно обнаружили свой метод выделения лития-6, разрабатывая мембраны для очистки "попутной воды" — грунтовых вод, которые поднимаются на поверхность во время бурения нефтяных и газовых скважин и которые необходимо очистить перед тем, как закачивать обратно под землю. Они заметили, что их очищающая мембрана захватывает непропорционально большое количество лития в воде.

"Мы увидели, что можем извлекать литий довольно избирательно, учитывая, что в воде было гораздо больше соли, чем лития", — говорит Банерджи. "Это заставило нас задуматься, может ли этот материал также обладать некоторой избирательностью к изотопу лития-6."

Свойства мембраны, связывающей литий, обусловлены материалом под названием дзета-оксид ванадия (ζ-V 2 O 5 ), синтезированным в лаборатории неорганическим соединением, содержащим одномерную структуру туннелей.

"Дзета-V 2 O 5 обладает удивительными свойствами — это замечательный материал для батарей, и теперь мы обнаружили, что он может очень избирательно захватывать литий, даже с изотопной избирательностью", — говорит Банерджи.

Чтобы проверить, может ли материал разделять литий-6 и литий-7, команда создала электрохимическую ячейку с катодом из дзета-V 2 O 5 . Когда они пропускали водный раствор, содержащий ионы лития, через ячейку, прикладывая напряжение, положительно заряженные ионы лития притягивались к отрицательно заряженной матрице дзета-V 2 O 5 и попадали в ее туннели. Поскольку ионы лития-6 и лития-7 движутся по-разному, туннели дзета-V 2 O 5 предпочтительно захватывали ионы лития-6, в то время как более подвижные ионы лития-7 избегали захвата.

"Ионы лития-6 гораздо сильнее прилипают к туннелям, что и обеспечивает избирательность", — говорит соавтор исследования Эндрю Эзази из Техасского университета A&M. "Если представить связь между V 2 O 5 и литием как пружину, можно представить, что литий-7 тяжелее и с большей вероятностью разорвет эту связь, тогда как литий-6, будучи легче, меньше колеблется и образует более прочную связь."

По мере того как ионы лития интегрируются в дзета-V 2 O 5 , соединение постепенно меняет цвет с ярко-желтого на темный оливково-зеленый, что позволяет легко отслеживать степень выделения лития.

Команда показала, что один электрохимический цикл обогащает литий-6 на 5,7%. Для получения лития, пригодного для синтеза, который требует минимум 30% лития-6, процесс необходимо повторить 25 раз, а 90% лития-6 можно получить примерно за 45 последовательных циклов.

"Такой уровень обогащения очень конкурентоспособен с процессом COLEX, но без использования ртути", — говорит Эзази.

"Конечно, мы пока не занимаемся промышленным производством, и есть некоторые инженерные проблемы, которые нужно решить в плане проектирования циркуляционного контура, но за несколько циклов можно получить литий, пригодный для синтеза, довольно дешево", — говорит Банерджи.

Исследователи утверждают, что их результаты показывают, что материалы, подобные дзета-V 2 O 5 , могут быть использованы для выделения других веществ, например, для разделения радиоактивных и нерадиоактивных изотопов.

Сейчас команда предпринимает шаги для масштабирования своего метода до промышленного уровня.

"Я думаю, что интерес к ядерному синтезу как к окончательному решению для чистой энергии очень велик", — говорит Банерджи. "Мы надеемся получить поддержку, чтобы превратить это в практическое решение."

Дополнительная информация

• Какие еще изотопы могут быть разделены с использованием материалов, подобных дзета-оксиду ванадия? - Дзета-оксид ванадия может быть полезен для разделения изотопов других легких элементов, таких как водород (дейтерий и тритий) или гелий, благодаря своей способности избирательно взаимодействовать с определенными изотопами.

• Какие инженерные проблемы необходимо решить для масштабирования метода до промышленного уровня? - Основные проблемы включают создание стабильных и долговечных материалов, оптимизацию энергопотребления, а также разработку эффективных систем для обработки больших объемов вещества.

• Какова роль лития-6 в ядерном синтезе, и почему он критически важен? - Литий-6 используется для производства трития, который является ключевым топливом для реакций термоядерного синтеза. Тритий необходим для поддержания реакции синтеза в термоядерных реакторах.

• Какие еще методы разделения изотопов лития существуют, кроме COLEX и нового метода с ζ-V₂O₅? - Другие методы включают электромагнитное разделение, лазерное разделение и центрифугирование. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки.

• Какие свойства дзета-оксида ванадия делают его подходящим для разделения изотопов? - Дзета-оксид ванадия обладает уникальной структурой, которая позволяет избирательно взаимодействовать с определенными изотопами, а также высокой стабильностью и низкой энергоемкостью процесса разделения.

• Какой объем лития-6 необходим для запуска ядерного синтеза, и как это соотносится с текущими запасами? - Для запуска ядерного синтеза требуется несколько килограммов лития-6. Текущие запасы лития-6 в мире достаточны для поддержания термоядерных реакторов на протяжении десятилетий, но их добыча и обработка остаются сложными задачами.

Полная версия:: Producing nuclear fusion fuel is banned in the US for being too toxic, but these researchers found an alternative

Экологически чистый метод эффективного преобразования метана в этанол.

В рамках продвижения устойчивых энергетических решений международная команда ученых достигла значительного прорыва в области низкоуглеродного химического преобразования. В своей недавней публикации в журнале Nature команда, возглавляемая профессорами Чжэнсяо ГУО (Zhengxiao GUO) с факультета химии Гонконгского университета (HKU), Вэйсинь ХУАН (Weixin HUANG) из Научно-технического университета Китая, Ричардом КАТЛОУ (Richard CATLOW) из Университетского колледжа Лондона и Цзюньван ТАН (Junwang TANG) из Университета Цинхуа, открыла фотокаталитический метод преобразования метана в этанол с высокой селективностью около 80% и скоростью конверсии метана 2,3% за один цикл с использованием проточного реактора с насадкой. Система демонстрирует впечатляющую кажущуюся квантовую эффективность (AQE) 9,4%, что измеряет, насколько эффективно она преобразует падающие фотоны в электроны, участвующие в реакции при определенных длинах волн.

Предыстория

Этанол хорошо известен как компонент многих праздничных напитков, но, что более важно, он служит идеальным жидким носителем водорода и химическим сырьем для широкого спектра применений, направленных на достижение углеродной нейтральности.

Мировой рынок этанола превышает 100 миллиардов долларов США, с текущим совокупным годовым темпом роста (CAGR) около 7%. Метан, основной компонент природного и сланцевого газа, часто сжигается для отопления.

Несмотря на его потенциал в качестве источника углерода для химического синтеза, его врожденная химическая инертность создает существенные препятствия для эффективного преобразования.

Традиционное промышленное преобразование метана обычно осуществляется через синтез-газ при высоких температурах и давлениях, что является энергоемким процессом с низкой селективностью продукта.

Попытки прямого преобразования метана в этанол часто сталкиваются с трудностями в контроле высокоселективного углерод-углеродного (C-C) связывания для получения конкретного C 2+ химического вещества, такого как этанол.

Инновационное каталитическое преобразование

Эффективное преобразование достигается благодаря уникальному внутримолекулярному соединению, образованному между чередующимися бензольными и триазиновыми единицами в рамках ковалентной триазиновой структуры (CTF-1) полимера.

Внутримолекулярное соединение увеличивает время жизни и эффективное разделение фотоиндуцированных зарядов, одновременно обеспечивая предпочтительную адсорбцию O 2 и H 2 O к бензольным и триазиновым единицам соответственно, что способствует C-C связыванию.

Кроме того, эта внутренне асимметричная двухцентровая особенность эффективно разделяет места C-C связывания от мест образования гидроксильных радикалов, тем самым снижая риск переокисления промежуточного продукта в CO 2 и воду.

При дальнейшем усилении добавлением Pt внутримолекулярный фотокатализатор демонстрирует очень перспективную скорость производства этанола, как указано выше.

"Это значительный шаг вперед в фотокаталитическом преобразовании метана в ценные зеленые химические вещества — не только с точки зрения нового идентифицированного металл-свободного "внутримолекулярного соединения" для эффективного C-C связывания; но и благодаря превращению метана в гораздо более желательное жидкое химическое вещество относительно эффективно при окружающих условиях", — отметил профессор ГУО, один из авторов статьи.

Сравнение с традиционными методами

Традиционно, как в синтезе Фишера-Тропша, преобразование метана в жидкие химические вещества требует высокой температуры (> 700 градусов Цельсия) и давления (∼ 20 бар) для активации его C−H связи, что связано с высокими затратами энергии и множеством этапов.

Предыдущие попытки фотокаталитического преобразования метана в C 2+ продукт часто сталкивались с низкой селективностью и/или низкой эффективностью из-за ограниченных возможностей конкретных катализаторов.

Новый катализатор CTF-1 демонстрирует более чем в 20 раз более высокую квантовую эффективность наряду с очень высокой селективностью.

Потенциальные применения и широкие последствия

Метан — это обильный, но климатически мощный газ. Его одноэтапное фотокаталитическое преобразование представляет собой высоко желательный подход к декарбонизации химической и топливной промышленности.

Особенно в жидкой форме этанол гораздо легче хранить, транспортировать и распределять по сравнению с газообразным водородом.

Он может быть непосредственно преобразован на борту низкоуглеродных транспортных средств — на суше, на море или в воздухе, предлагая огромный потенциал для применения в городском транспорте, судоходстве и предстоящей низковысотной экономике, тем самым прокладывая путь к углеродной нейтральности.

Будущие исследования и разработки

Под руководством профессора ГУО исследовательская команда HKU продолжит изучать инновационные варианты настройки катализатора и интенсификации процесса преобразования в рамках консорциума по программе UGC Theme-Based Research Scheme и RGC-EU Collaborative Innovation Scheme.

Дополнительная информация

• Как работает фотокаталитический процесс преобразования метана в этанол? - Фотокаталитический процесс использует свет для активации катализатора, который способствует превращению метана в этанол. Это происходит благодаря поглощению фотонов, которые инициируют химические реакции на поверхности катализатора.

• Что такое ковалентная триазиновая структура (CTF-1) и как она способствует преобразованию метана? - CTF-1 — это пористый материал с высокой площадью поверхности, который улучшает эффективность фотокатализа. Он действует как катализатор, ускоряя превращение метана в этанол под действием света.

• Что означает кажущаяся квантовая эффективность (AQE) и почему она важна для фотокаталитических процессов? - Кажущаяся квантовая эффективность (AQE) измеряет, насколько эффективно свет используется для химических реакций. Высокая AQE указывает на эффективность фотокатализатора, что важно для оптимизации процессов преобразования энергии.

• Каковы основные недостатки традиционных методов преобразования метана, таких как синтез-газ и Фишер-Тропш? - Традиционные методы, такие как синтез-газ и процесс Фишера-Тропша, требуют высоких температур и давления, что делает их энергоемкими и дорогостоящими. Они также часто сопровождаются значительными выбросами CO2.

• Какие еще применения этанола могут способствовать декарбонизации, помимо использования в транспортных средствах? - Этанол может использоваться в качестве сырья для производства химических веществ, таких как этилен, а также в качестве топлива для электростанций, что способствует снижению углеродного следа.

• Какие направления будущих исследований в области катализаторов рассматриваются командой профессора ГУО? - Команда профессора ГУО исследует разработку более эффективных и устойчивых катализаторов, которые могут работать при более низких температурах и использовать возобновляемые источники энергии для снижения затрат и экологического воздействия.

Полная версия:: Eco-friendly method to efficiently convert methane to ethanol

Препарат против амилоида демонстрирует признаки предотвращения деменции при болезни Альцгеймера.

Экспериментальный препарат, по-видимому, снижает риск развития деменции, связанной с болезнью Альцгеймера, у людей, которым суждено столкнуться с этим заболеванием в возрасте 30, 40 или 50 лет, согласно результатам исследования, проведенного под руководством Knight Family Dominantly Inherited Alzheimer Network-Trials Unit (DIAN-TU), базирующегося в Медицинской школе Вашингтонского университета в Сент-Луисе. Полученные данные впервые в рамках клинического испытания свидетельствуют о том, что раннее лечение, направленное на удаление амилоидных бляшек из мозга за много лет до появления симптомов, может отсрочить начало деменции при болезни Альцгеймера.

Исследование опубликовано 19 марта в журнале The Lancet Neurology.

В международном исследовании приняли участие 73 человека с редкими наследственными генетическими мутациями, вызывающими избыточное производство амилоида в мозге, что практически гарантирует развитие болезни Альцгеймера в среднем возрасте.

Для подгруппы из 22 участников, у которых на момент начала исследования не было когнитивных проблем и которые получали препарат дольше всего — в среднем восемь лет, — лечение снизило риск развития симптомов с практически 100% до примерно 50%, согласно первичному анализу данных, подтвержденному множеством дополнительных анализов, поддерживающих эту тенденцию.

"Все участники этого исследования были обречены на развитие болезни Альцгеймера, и некоторые из них до сих пор не столкнулись с симптомами", — сказал старший автор исследования Рэндалл Дж. Бейтман, доктор медицинских наук, профессор неврологии имени Чарльза Ф. и Джоан Найт в Медицинской школе Вашингтонского университета.

"Мы пока не знаем, как долго они останутся без симптомов — возможно, несколько лет или даже десятилетия. Чтобы дать им наилучшие шансы сохранить когнитивное здоровье, мы продолжили лечение с помощью другого антиамилоидного антитела в надежде, что у них никогда не появятся симптомы. Что мы точно знаем, так это то, что возможно хотя бы отсрочить начало симптомов болезни Альцгеймера и подарить людям больше лет здоровой жизни".

Полученные данные предоставляют новые доказательства в поддержку так называемой амилоидной гипотезы болезни Альцгеймера, которая предполагает, что первым шагом на пути к деменции является накопление амилоидных бляшек в мозге, и что удаление таких бляшек или блокирование их образования может предотвратить появление симптомов.

В этом исследовании Бейтман и его коллеги оценивали эффекты экспериментального антиамилоидного препарата, чтобы выяснить, может ли лекарство предотвратить развитие деменции.

Участники исследования изначально были включены в Knight Family DIAN-TU-001, первое в мире испытание по профилактике болезни Альцгеймера, а затем продолжили участие в расширенной части испытания, где они получали антиамилоидный препарат.

В настоящее время под руководством Бейтмана и при основном финансировании со стороны Ассоциации Альцгеймера, Фонда GHR и Национальных институтов здоровья (NIH), Knight Family DIAN-TU-001 был запущен в 2012 году для оценки антиамилоидных препаратов в качестве профилактических методов лечения болезни Альцгеймера.

Все участники испытания не имели или имели очень легкие когнитивные нарушения и находились в пределах 15 лет до или 10 лет после ожидаемого возраста начала болезни Альцгеймера, основываясь на семейной истории.

Когда испытание завершилось в 2020 году, Бейтман и его коллеги сообщили, что один из препаратов — гантенерумаб, разработанный Roche и его американским филиалом Genentech, — снизил уровень амилоида в мозге и улучшил некоторые показатели, связанные с белками болезни Альцгеймера.

Однако исследователи не обнаружили доказательств когнитивного улучшения, поскольку группа без симптомов — независимо от того, получали они препарат или плацебо — не показала ухудшения.

Эти смешанные результаты в группе без симптомов привели к запуску открытого расширенного исследования, чтобы ученые могли продолжить изучение эффектов гантенерумаба и определить, могут ли более высокие дозы или более длительное лечение предотвратить или отсрочить когнитивное снижение.

Все участники DIAN-TU, имевшие генетическую мутацию с высоким риском болезни Альцгеймера, могли продолжить участие в расширенном исследовании, независимо от того, получали ли они гантенерумаб, другой препарат или плацебо во время основного испытания.

Поскольку все участники расширенного исследования получали экспериментальный препарат, внутренней контрольной группы не было.

Вместо этого исследователи сравнивали участников расширенного исследования с людьми из связанного исследования DIAN Observational, которые не получали лекарственного лечения, а также с участниками DIAN-TU, получавшими плацебо, которые не продолжили участие в расширенной части.

Изначально запланированное на три года, расширенное исследование было прервано в середине 2023 года после решения Roche/Genentech прекратить разработку гантенерумаба в ноябре 2022 года, когда данные их ключевых испытаний фазы 3 GRADUATE I и II, оценивающих гантенерумаб у людей с ранними симптомами болезни Альцгеймера, не достигли основной цели — замедления клинического ухудшения.

Средний участник расширенного исследования получал лечение в течение 2,6 лет на момент его прекращения.

Анализ этого набора данных показал, что удаление амилоидных бляшек из мозга за годы до ожидаемого появления симптомов отсрочило начало симптомов и прогрессирование деменции, хотя результаты были статистически значимыми только для подгруппы людей, которые начали лечение без симптомов и получали его дольше всего.

Для группы участников

Дополнительная информация

• Как именно амилоидные бляшки влияют на мозг и приводят к деменции? - Амилоидные бляшки нарушают связь между нейронами, вызывают воспаление и гибель клеток мозга, что приводит к ухудшению когнитивных функций и деменции.
• Какие другие гипотезы, кроме амилоидной, существуют для объяснения причин болезни Альцгеймера? - Среди других гипотез — тау-гипотеза (накопление тау-белка), воспалительная гипотеза и гипотеза о роли митохондриальной дисфункции.
• Какие еще препараты, кроме гантенерумаба, исследуются для лечения болезни Альцгеймера? - Исследуются такие препараты, как адуканумаб, леканемаб и донанезумаб, которые также нацелены на амилоидные бляшки.
• Как наследственные генетические мутации связаны с избыточным производством амилоида? - Мутации в генах, таких как APP, PSEN1 и PSEN2, приводят к нарушению обработки амилоидного белка, что вызывает его избыточное накопление.
• Какие критерии использовались для отбора участников в исследование DIAN-TU? - Участники отбирались на основе наличия мутаций, связанных с ранним началом болезни Альцгеймера, и семейной истории заболевания.
• Почему Roche/Genentech решили прекратить разработку гантенерумаба? - Разработка была прекращена из-за недостаточной эффективности препарата в клинических испытаниях.
• Какие методы используются для измерения уровня амилоида в мозге? - Для измерения уровня амилоида используются позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и анализ спинномозговой жидкости.

Источник:: Anti-amyloid drug shows signs of preventing Alzheimer's dementia

Препарат для реабилитации после инсульта восстанавливает повреждения мозга.

Новое исследование UCLA Health обнаружило, по словам исследователей, первый препарат, который полностью воспроизводит эффекты физической реабилитации после инсульта у модельных мышей, основываясь на исследованиях с участием людей.

Результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, включали тестирование двух кандидатных препаратов, разработанных на основе изучения механизмов воздействия реабилитации на мозг. Один из них показал значительное восстановление контроля движений после инсульта у мышей.

Инсульт является основной причиной инвалидности у взрослых, поскольку большинство пациентов не полностью восстанавливаются после его последствий. В области восстановления после инсульта не существует лекарств, что вынуждает пациентов проходить физическую реабилитацию, которая, как показали исследования, имеет лишь умеренную эффективность.

"Цель состоит в том, чтобы создать лекарство, которое пациенты после инсульта могли бы принимать для достижения эффектов реабилитации", — сказал доктор С. Томас Кармайкл, ведущий автор исследования, профессор и заведующий кафедрой неврологии UCLA. "Реабилитация после инсульта ограничена в своих фактических эффектах, поскольку большинство пациентов не могут поддерживать необходимую интенсивность реабилитации для восстановления.

"Кроме того, восстановление после инсульта отличается от большинства других областей медицины, где доступны лекарства для лечения заболевания — например, в кардиологии, инфекционных заболеваниях или онкологии", — добавил Кармайкл. "Реабилитация — это подход физической медицины, который существует уже десятилетия; нам необходимо перевести реабилитацию в эру молекулярной медицины".

В ходе исследования Кармайкл и его команда стремились определить, как физическая реабилитация улучшает функции мозга после инсульта, и можно ли создать препарат, который бы воспроизводил эти же эффекты.

Работая с моделями инсульта у лабораторных мышей и с пациентами, перенесшими инсульт, исследователи UCLA выявили потерю связей в мозге, вызванную инсультом, которые находятся на удалении от места повреждения. Клетки мозга, расположенные на расстоянии от места инсульта, теряют связь с другими нейронами. В результате нейронные сети не активируются синхронно для таких функций, как движение и походка.

Команда UCLA обнаружила, что некоторые из потерянных после инсульта связей происходят в клетках, называемых парвальбуминовыми нейронами. Этот тип нейронов помогает генерировать мозговой ритм, известный как гамма-осцилляция, который связывает нейроны вместе, чтобы они формировали скоординированные сети для выполнения таких функций, как движение. Инсульт приводит к потере гамма-осцилляций. Успешная реабилитация как у лабораторных мышей, так и у людей восстанавливала гамма-осцилляции в мозге, а у мышей также восстанавливала потерянные связи парвальбуминовых нейронов.

Кармайкл и его команда затем определили два кандидатных препарата, которые могут вызывать гамма-осцилляции после инсульта. Эти препараты специфически воздействуют на возбуждение парвальбуминовых нейронов. Исследователи обнаружили, что один из препаратов, DDL-920, разработанный в лаборатории UCLA доктором Варгезе Джоном, соавтором исследования, привел к значительному восстановлению контроля движений.

Для понимания безопасности и эффективности этого препарата необходимы дальнейшие исследования, прежде чем его можно будет рассматривать для испытаний на людях.

Дополнительная информация

• Как именно гамма-осцилляции влияют на восстановление функций мозга после инсульта? - Гамма-осцилляции способствуют усилению связей между нейронами и активации нейропластичности, что помогает восстановлению поврежденных областей мозга после инсульта.
• Какие еще типы нейронов, кроме парвальбуминовых, могут быть затронуты инсультом? - Инсульт может повлиять на пирамидальные нейроны, интернейроны и другие типы клеток, что приводит к нарушению работы нейронных сетей.
• Какие существуют альтернативные подходы к восстановлению после инсульта, кроме физической реабилитации? - Альтернативные подходы включают нейростимуляцию, когнитивную терапию, использование стволовых клеток и фармакологические методы.
• Какие этапы клинических испытаний должен пройти препарат DDL-920 перед использованием на людях? - Препарат должен пройти фазы I (безопасность), II (эффективность и дозировка) и III (масштабное тестирование) клинических испытаний.

Источник:: Stroke rehabilitation drug repairs brain damage

Кислород обнаружен в самой далекой из известных галактик.

Две разные команды астрономов обнаружили кислород в самой далекой из известных галактик, JADES-GS-z14-0. Это открытие, о котором сообщается в двух отдельных исследованиях, стало возможным благодаря массиву радиотелескопов Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), в котором Европейская южная обсерватория (ESO) является партнером. Это рекордное обнаружение заставляет астрономов пересмотреть представления о том, как быстро галактики формировались в ранней Вселенной.

Обнаруженная в прошлом году галактика JADES-GS-z14-0 является самой далекой из подтвержденных галактик: она настолько удалена, что ее свет шел до нас 13,4 миллиарда лет, а это означает, что мы видим ее такой, какой она была, когда Вселенной было менее 300 миллионов лет, что составляет около 2% от ее нынешнего возраста. Новое обнаружение кислорода с помощью ALMA, массива телескопов в пустыне Атакама в Чили, предполагает, что галактика химически гораздо более зрелая, чем ожидалось.

«Это как найти подростка там, где вы ожидали бы увидеть только младенцев», — говорит Сандер Шоувс, кандидат наук в Лейденской обсерватории, Нидерланды, и первый автор исследования, проведенного под руководством нидерландских ученых, которое уже принято к публикации в журнале The Astrophysical Journal. «Результаты показывают, что галактика сформировалась очень быстро и также быстро созревает, что добавляет все больше доказательств тому, что формирование галактик происходит гораздо быстрее, чем предполагалось ранее».

Галактики обычно начинают свою жизнь, полную молодых звезд, которые состоят в основном из легких элементов, таких как водород и гелий. По мере эволюции звезд они создают более тяжелые элементы, такие как кислород, которые распространяются по их галактике после их гибели. Исследователи полагали, что в возрасте 300 миллионов лет Вселенная была еще слишком молода, чтобы в ней могли существовать галактики, богатые тяжелыми элементами. Однако два исследования ALMA указывают на то, что в JADES-GS-z14-0 тяжелых элементов примерно в 10 раз больше, чем ожидалось.

«Я был поражен неожиданными результатами, потому что они открыли новый взгляд на первые фазы эволюции галактик», — говорит Стефано Карниани из Scuola Normale Superiore в Пизе, Италия, ведущий автор статьи, которая уже принята к публикации в журнале Astronomy & Astrophysics. «Доказательства того, что галактика уже была зрелой в младенческой Вселенной, поднимают вопросы о том, когда и как формировались галактики».

Обнаружение кислорода также позволило астрономам значительно повысить точность измерений расстояния до JADES-GS-z14-0. «Обнаружение ALMA предлагает чрезвычайно точное измерение расстояния до галактики с погрешностью всего 0,005%. Этот уровень точности — аналогичный точности в пределах 5 см на расстоянии 1 км — помогает уточнить наше понимание свойств далеких галактик», — добавляет Элеонора Парланти, аспирантка Scuola Normale Superiore в Пизе и автор исследования в журнале Astronomy & Astrophysics [1].

«Хотя галактика изначально была обнаружена с помощью космического телескопа James Webb, именно ALMA подтвердила и точно определила ее огромное расстояние», — говорит доцент Ричард Боувенс, член команды Лейденской обсерватории [2]. «Это демонстрирует удивительную синергию между ALMA и JWST в раскрытии формирования и эволюции первых галактик».

Гергё Поппинг, астроном ESO в Европейском региональном центре ALMA, который не участвовал в исследованиях, говорит: «Я был действительно удивлен этим четким обнаружением кислорода в JADES-GS-z14-0. Это предполагает, что галактики могут формироваться быстрее после Большого взрыва, чем считалось ранее. Этот результат подчеркивает важную роль ALMA в раскрытии условий, при которых формировались первые галактики во Вселенной».

Примечания

[1] Астрономы используют измерение, известное как красное смещение, для определения расстояния до чрезвычайно далеких объектов. Предыдущие измерения указывали на то, что галактика JADES-GS-z-14-0 находилась на красном смещении между 14,12 и 14,4. С помощью обнаружения кислорода обе команды теперь сузили это значение до красного смещения около 14,18.

[2] Космический телескоп James Webb — это совместный проект NASA, Европейского космического агентства (ESA) и Канадского космического агентства (CSA).

Дополнительная информация

• Как кислород может быть обнаружен в галактике, которая существовала так рано после Большого взрыва? - Кислород образуется в звездах и выбрасывается в космос при взрывах сверхновых. Его обнаружение в ранних галактиках указывает на активное звездообразование и химическую эволюцию уже в первые миллиарды лет после Большого взрыва.
• Какие еще тяжелые элементы могут быть обнаружены в галактике JADES-GS-z14-0? - Помимо кислорода, в таких галактиках могут быть обнаружены углерод, азот и неон, которые также образуются в звездах и выбрасываются в космос.
• Как ALMA и James Webb дополняют друг друга в исследованиях далеких галактик? - ALMA изучает холодный газ и пыль в миллиметровом диапазоне, а James Webb наблюдает звезды и галактики в инфракрасном диапазоне, что позволяет получить более полную картину.
• Какие методы, кроме красного смещения, используются для измерения расстояний до галактик? - Используются цефеиды, сверхновые типа Ia и метод Талли-Фишера, хотя они менее точны для очень далеких галактик.
• Какие теории о формировании галактик могут быть пересмотрены в свете этого открытия? - Открытие кислорода в ранних галактиках может привести к пересмотру теорий о темпах звездообразования и химической эволюции галактик.

Источник:: Oxygen discovered in most distant known galaxy

Как перестать удивляться экстремальным погодным явлениям.

Помощь сообществам в прогнозировании экстремальных погодных явлений, которые никогда не регистрировались в современной истории, стала целью нового исследования, опубликованного в журнале Nature Communications.

Команда из Фонда климатической адаптации (Climate Adaptation Services Foundation), Университета Рединга и других международных институтов объединила методы, позволяющие выйти за рамки ограничений традиционных метеорологических записей, которые обычно охватывают только последнее столетие.

Исследование показывает, как, например, природные архивы — такие как годичные кольца деревьев — в сочетании с забытыми историческими документами могут раскрыть столетия климатических данных, которые были упущены современными инструментами.

Ведущий автор исследования Тимо Келдер заявил: "Мы были ограничены представлением о том, что экстремальные погодные явления могут быть лишь такими же сильными, как те, что мы измеряли с момента изобретения метеостанций. Но наше исследование показывает, что мы можем использовать климатические модели, чтобы заглянуть на сотни или даже тысячи лет назад и понять, что действительно возможно в нашей климатической системе."

Инструментарий для ученых и практиков

Исследователи выделили четыре подхода, которые вместе создают более полную картину возможных экстремальных погодных явлений:

● Анализ традиционных записей
● Изучение исторических и природных архивов, таких как годичные кольца деревьев
● Создание сценариев "что, если" на основе прошлых событий
● Использование климатических моделей для симуляции физически возможных экстремальных явлений

Годичные кольца деревьев оказались особенно ценными, так как каждое кольцо сохраняет климатическую историю за год.

Исследователи использовали эти природные "капсулы времени", чтобы восстановить 850-летние модели засух на северо-западе Китая, выявив экстремальные события, которые остались бы незамеченными в современных записях.

Команда также обнаружила забытые экстремальные погодные явления, изучая исторические архивы.

Они выяснили, что июнь 1846 года в Дареме (Великобритания) был значительно жарче, чем любой современный июнь.

Аналогично, сентябрь 1774 года в Оксфорде был более дождливым, чем любой месяц за последние 250 лет.

Адаптация, адаптация, адаптация

Исследование подчеркивает, что с помощью этих методов, позволяющих предвидеть неизвестное, сообщества могут лучше подготовиться к беспрецедентным погодным явлениям.

Эти методы могут поддержать три уровня подготовки:

● Улучшение систем раннего предупреждения
● Модернизация инфраструктуры
● Преобразующие социальные изменения для снижения уязвимости

Исследователи приходят к выводу, что, освободившись от ограничений современных записей, мы наконец можем перестать удивляться "беспрецедентным" погодным явлениям.

Соавтор исследования Дороти Хайнрих из Университета Рединга заявила: "Беспрецедентные погодные явления не просто бьют рекорды — они разрушают сообщества, инфраструктуру и жизни. Когда происходит невообразимое, отсутствие подготовки становится катастрофой, ожидающей своего часа. Но наука может помочь нам представить невообразимое, выявить эти риски и подготовиться. Наше будущее зависит от того, насколько быстро и тщательно мы адаптируемся сегодня."

Дополнительная информация

• Как именно годичные кольца деревьев сохраняют информацию о климатических условиях? - Ширина и плотность годичных колец зависят от температуры, количества осадков и других климатических факторов. В благоприятные годы кольца шире, а в неблагоприятные — уже.
• Какие типы исторических документов могут содержать информацию о прошлых экстремальных погодных явлениях? - Дневники, хроники, записи о урожаях, судовые журналы и церковные записи часто содержат описания экстремальных погодных явлений.
• Как климатические модели симулируют экстремальные погодные явления, которые никогда не наблюдались? - Климатические модели используют физические законы и данные о прошлых событиях для прогнозирования возможных сценариев, включая экстремальные явления.
• Какие примеры "преобразующих социальных изменений" могут помочь снизить уязвимость сообществ к экстремальным погодным явлениям? - Улучшение инфраструктуры, повышение осведомленности населения, создание систем раннего предупреждения и развитие устойчивого сельского хозяйства.

Источник:: How to stop being surprised by extreme weather

Телескоп Webb впервые получил прямые изображения углекислого газа за пределами Солнечной системы.

Космический телескоп James Webb впервые зафиксировал прямые изображения углекислого газа на планете за пределами Солнечной системы. Наблюдения проводились в системе HR 8799, расположенной в 130 световых годах от Земли, которая давно является ключевой целью для изучения формирования планет.

Эти наблюдения предоставляют убедительные доказательства того, что четыре гигантские планеты в этой системе сформировались примерно так же, как Юпитер и Сатурн, — путем медленного наращивания твердых ядер. Они также подтверждают, что Webb способен не только выводить состав атмосферы на основе измерений звездного света, но и напрямую анализировать химический состав атмосфер экзопланет.

"Обнаружив эти яркие признаки углекислого газа, мы показали, что в атмосферах этих планет присутствует значительная доля тяжелых элементов, таких как углерод, кислород и железо. Учитывая то, что мы знаем о звезде, вокруг которой они вращаются, это, скорее всего, указывает на их формирование через аккрецию ядра, что для планет, которые мы можем наблюдать напрямую, является захватывающим выводом", — сказал Уильям Балмер, астрофизик из Университета Джонса Хопкинса, возглавлявший исследование.

Анализ наблюдений, который также включал систему 51 Эридана, расположенную в 96 световых годах от нас, опубликован в журнале The Astrophysical Journal.

HR 8799 — молодая система возрастом около 30 миллионов лет, что составляет лишь малую часть от 4,6 миллиардов лет нашей Солнечной системы. Планеты HR 8799, все еще горячие после своего бурного формирования, излучают большое количество инфракрасного света, что дает ученым ценные данные о том, как их формирование сравнивается с формированием звезд или коричневых карликов.

Гигантские планеты могут формироваться двумя способами: путем медленного наращивания твердых ядер, которые притягивают газ, как в нашей Солнечной системе, или путем быстрого коллапса из охлаждающегося диска молодой звезды в массивные объекты. Понимание того, какая из моделей более распространена, может дать ученым ключи к разгадке различий между типами планет, которые они находят в других системах.

"Наша цель в этом исследовании — понять нашу собственную Солнечную систему, жизнь и нас самих в сравнении с другими экзопланетными системами, чтобы мы могли осмыслить наше существование", — сказал Балмер. "Мы хотим делать снимки других солнечных систем и видеть, насколько они похожи или отличаются от нашей. Отталкиваясь от этого, мы можем попытаться понять, насколько странной или обычной является наша Солнечная система".

Лишь немногие экзопланеты были сфотографированы напрямую, поскольку далекие планеты в тысячи раз тусклее своих звезд. Получая прямые изображения на определенных длинах волн, доступных только с помощью Webb, команда прокладывает путь для более детальных наблюдений, чтобы определить, являются ли объекты, которые они видят вращающимися вокруг других звезд, действительно гигантскими планетами или объектами, такими как коричневые карлики, которые формируются как звезды, но не накапливают достаточно массы для запуска ядерного синтеза.

"У нас есть другие доказательства, которые указывают на то, что эти четыре планеты HR 8799 сформировались с использованием этого подхода снизу вверх", — сказал Лоран Пюйо, астроном из Института космического телескопа, который совместно руководил работой. "Насколько это распространено для долгопериодических планет, которые мы можем напрямую наблюдать? Мы пока не знаем, но предлагаем дополнительные наблюдения с помощью Webb, вдохновленные нашими диагностиками углекислого газа, чтобы ответить на этот вопрос".

Это достижение стало возможным благодаря коронографам Webb, которые блокируют свет ярких звезд, как это происходит во время солнечного затмения, чтобы раскрыть скрытые миры. Это позволило команде искать инфракрасный свет на длинах волн, которые раскрывают определенные газы и другие детали атмосферы.

Нацелившись на диапазон длин волн 3-5 микрометров, команда обнаружила, что четыре планеты HR 8799 содержат больше тяжелых элементов, чем предполагалось ранее, что является еще одним намеком на то, что они сформировались так же, как газовые гиганты нашей Солнечной системы. Наблюдения также впервые выявили самую внутреннюю планету, HR 8799 e, на длине волны 4,6 микрометра, и 51 Эридана b на длине волны 4,1 микрометра, демонстрируя чувствительность Webb в наблюдении за тусклыми планетами вблизи ярких звезд.

В 2022 году один из ключевых методов наблюдения Webb косвенно обнаружил углекислый газ на другой экзопланете, WASP-39 b, отслеживая, как ее атмосфера изменяла звездный свет, когда она проходила перед своей звездой.

"Это то, что ученые делали для транзитных планет или изолированных коричневых карликов с момента запуска JWST", — сказал Пюйо.

Реми Сумер, руководитель Оптической лаборатории в Институте космического телескопа и ранее возглавлявший операции с коронографами Webb, добавил: "Мы знали, что JWST может измерять цвета внешних планет в системах с прямым изображением. Мы ждали 10 лет, чтобы подтвердить, что наши тщательно настроенные операции с телескопом также позволят нам получить доступ к внутренним планетам. Теперь результаты получены, и мы можем заниматься интересной наукой".

Команда надеется использовать коронографы Webb для анализа большего количества гигантских планет и сравнения их состава с

Дополнительная информация

• Как коронографы на телескопе Webb помогают блокировать свет звезд для наблюдения экзопланет? - Коронографы блокируют яркий свет звезд, используя маски или специальные фильтры, что позволяет телескопу наблюдать более тусклые объекты, такие как экзопланеты, без помех.
• Какие еще газы, кроме углекислого газа, могут быть обнаружены в атмосферах экзопланет с помощью телескопа Webb? - Телескоп Webb может обнаруживать метан, водяной пар, аммиак, угарный газ и другие газы, что помогает изучать состав и условия на экзопланетах.
• Почему инфракрасный свет особенно важен для изучения экзопланет? - Инфракрасный свет позволяет изучать тепловое излучение планет и проникать через пылевые облака, что делает его идеальным для наблюдения экзопланет.
• Какие другие экзопланетные системы, кроме HR 8799 и 51 Эридана, были изучены с помощью прямого изображения? - Среди изученных систем — Фомальгаут, Бета Живописца и HD 95086, где были обнаружены экзопланеты и пылевые диски.
• Какой вклад вносит обнаружение тяжелых элементов в атмосферах экзопланет в понимание их формирования? - Обнаружение тяжелых элементов помогает понять процессы аккреции материала и формирования планет, включая их химический состав и эволюцию.
• Какие еще методы, кроме прямого изображения, используются для изучения экзопланет? - Используются транзитный метод (наблюдение за затемнением звезды планетой), метод радиальных скоростей (измерение колебаний звезды) и гравитационное микролинзирование (искривление света гравитацией).

Источник:: Webb telescope captures its first direct images of carbon dioxide outside solar system

Бактерии проникают в мозг после имплантации медицинских устройств.

Имплантаты мозга обладают огромным потенциалом для восстановления функций у пациентов с параличом, эпилепсией и другими неврологическими расстройствами.

Однако группа исследователей из Университета Кейс Вестерн Резерв обнаружила, что бактерии могут проникать в мозг после имплантации медицинского устройства, способствуя воспалению и снижая долгосрочную эффективность устройства.

Это новаторское исследование, недавно опубликованное в журнале Nature Communications, может улучшить долгосрочный успех имплантатов мозга, поскольку теперь выявлена цель для устранения проблемы.

"Понимание роли бактерий в работе имплантатов и здоровье мозга может революционизировать то, как эти устройства проектируются и поддерживаются", — сказал Джефф Кападона, вице-провост по инновациям в Университете Кейс Вестерн Резерв, профессор биомедицинской инженерии Института Доннелла и старший научный сотрудник Медицинского центра Луи Стокса при Департаменте по делам ветеранов в Кливленде.

Лаборатория Кападона возглавила исследование, в котором изучалось наличие бактериальной ДНК в мозге мышей, имплантированных микроэлектродами.

К удивлению исследователей, в мозге были обнаружены бактерии, связанные с кишечником. Это открытие предполагает, что нарушение так называемого "гематоэнцефалического барьера", вызванное имплантацией устройства, может позволить микробам проникнуть внутрь.

"Это открытие, меняющее парадигму", — сказал Джордж Хоферлин, ведущий автор исследования, который был аспирантом по биомедицинской инженерии в лаборатории Кападона в Университете Кейс Вестерн Резерв. "Десятилетиями область исследований сосредотачивалась на иммунном ответе организма на эти имплантаты, но наше исследование теперь показывает, что бактерии — некоторые из которых происходят из кишечника — также играют роль в воспалении вокруг этих устройств".

В исследовании у мышей, получавших антибиотики, наблюдалось снижение бактериального загрязнения, и работа имплантированных устройств улучшилась, хотя длительное использование антибиотиков оказалось вредным.

Последствия этого открытия выходят за рамки отказа устройств. Некоторые из бактерий, обнаруженных в мозге, связаны с неврологическими заболеваниями, включая болезнь Альцгеймера, Паркинсона и инсульт.

"Если мы не выявляем или не устраняем это последствие имплантации, мы можем причинять больше вреда, чем пользы", — сказал Кападона. "Это открытие подчеркивает острую необходимость разработки постоянной стратегии предотвращения проникновения бактерий из имплантированных устройств, а не просто управления воспалением после факта. Чем больше мы понимаем этот процесс, тем лучше можем проектировать имплантаты, которые работают безопасно и эффективно".

Кападона отметил, что его лаборатория теперь расширяет исследование, чтобы изучить бактерии в других типах мозговых имплантатов, таких как вентрикулярные шунты, используемые для лечения гидроцефалии — аномального скопления жидкости в мозге.

Команда также изучила фекалии человека с имплантированным мозговым устройством и обнаружила аналогичные результаты.

"Это открытие подчеркивает важность понимания того, что бактериальное вторжение может быть не просто лабораторным феноменом, но и клинически значимой проблемой", — сказал Болу Аджибойе, профессор биомедицинской инженерии имени Роберта и Бренды Айкен в Инженерной школе и Медицинской школе Кейс Вестерн Резерв, а также ученый в Медицинском центре Кливленда при Департаменте по делам ветеранов. "Благодаря нашей сильной трансляционной связи между Университетом Кейс Вестерн Резерв и Департаментом по делам ветеранов, мы сейчас исследуем, как это открытие может напрямую способствовать разработке более безопасных и эффективных стратегий нейронных имплантатов для пациентов".

Исследование было поддержано Центром передовых платформенных технологий Департамента по делам ветеранов США, Национальными институтами здравоохранения, Министерством обороны и эндаументом профессуры Института Доннелла.

Дополнительная информация

• Как именно бактерии из кишечника могут проникать в мозг через гематоэнцефалический барьер? - Бактерии могут проникать через ГЭБ при его повреждении, например, из-за воспаления или инфекции. Это позволяет микроорганизмам перемещаться из кишечника в мозг через кровоток.
• Какие конкретные бактерии, связанные с кишечником, были обнаружены в мозге и как они влияют на воспаление? - Например, бактерии рода Escherichia coli и Bacteroides были обнаружены в мозге. Они могут вызывать воспаление, активируя иммунные клетки мозга, такие как микроглия.
• Почему длительное использование антибиотиков оказалось вредным, несмотря на их эффективность в снижении бактериального загрязнения? - Длительное использование антибиотиков может нарушить баланс микробиоты кишечника, что приводит к дисбиозу и повышает риск инфекций и воспалений.
• Какие другие типы мозговых имплантатов, помимо микроэлектродов, могут быть подвержены бактериальному загрязнению? - Другие имплантаты, такие как шунты для лечения гидроцефалии или стимуляторы глубокого мозга, также могут быть подвержены бактериальному загрязнению.
• Как трансляционная связь между Университетом Кейс Вестерн Резерв и Департаментом по делам ветеранов способствует разработке более безопасных имплантатов? - Совместные исследования позволяют объединить клинические данные и научные разработки для создания имплантатов с улучшенными антимикробными свойствами и сниженным риском инфекций.

Источник:: Bacteria invade brain after implanting medical devices

Как птенец колибри ведет себя как гусеница, чтобы выжить.

Когда Джей Фальк и Скотт Тейлор впервые увидели птенца белошейного колибри-якобина в густом тропическом лесу Панамы, биологи-орнитологи не сразу поняли, на что они смотрят.

Однодневный птенец, размером меньше мизинца, был покрыт коричневым пухом.

Когда Фальк и Тейлор подошли ближе к гнезду, птенец начал дергаться и трясти головой — поведение, которое они раньше никогда не наблюдали у птиц.

Оказалось, что колибри, возможно, защищается от хищников, имитируя ядовитую гусеницу, обитающую в том же регионе.

В новой статье, опубликованной 17 марта в журнале Ecology, Тейлор, доцент кафедры экологии и эволюционной биологии Университета Колорадо в Боулдере, и его команда впервые описали это необычное поведение мимикрии у колибри.

«Мы так мало знаем о том, что делают гнездящиеся птицы в тропиках», — сказал Фальк, ведущий автор статьи и постдокторант в лаборатории Тейлора.

«Но это может быть очень распространенным явлением, если бы мы уделяли больше усилий наблюдению и открытию новых вещей в природе».

Случайное открытие

Белошейные колибри-якобины широко распространены в Центральной и Южной Америке.

Самцы имеют переливающиеся синие и зеленые перья, в то время как самки обычно обладают более скромным зеленым оперением.

Тропический лес — опасное место для маленьких птиц, сказал Фальк, который также является исследователем в Смитсоновском институте тропических исследований.

Змеи, обезьяны, птицы и даже насекомые охотятся на них. Предыдущие исследования показали, что птенцы птиц в тропиках чаще становятся добычей хищников, чем в умеренных лесах.

Так как же крошечные птенцы колибри выживают? Фальк, возможно, наткнулся на ответ во время поездки в национальный парк Соберания в Панаме в 2024 году.

Несмотря на частые визиты птиц к кормушкам Фалька возле его исследовательской станции в Панаме, он никогда раньше не видел птенца белошейного колибри-якобина или его гнезда.

Но в марте прошлого года соавторы Майкл Кастаньо из Смитсоновского института тропических исследований и Себастьян Галлан-Хиральдо из Университета Антиокии в Колумбии обнаружили самку колибри-якобина, высиживающую яйцо в гнезде недалеко от лесной тропы.

Гнездо, меньше ладони Фалька, было сделано из частей растений, чтобы идеально сливаться с окружающей средой.

В течение следующего месяца команда внимательно наблюдала за гнездом и стала свидетелем того, как из яйца вылупился птенец.

В отличие от большинства колибри, которые рождаются голыми, птенец якобина был покрыт длинными коричневыми перьями, почти неотличимыми от материала гнезда.

Именно тогда команда стала свидетелем необычного дергающегося поведения птенца.

Ученые никогда раньше не сообщали о подобном поведении у других видов колибри.

«Я начал отправлять видео людям и спрашивать: „На что это похоже?“» — сказал Тейлор.

«И неизменно они отвечали: „Это похоже на гусеницу“. Это было очень захватывающе».

На второй день после вылупления яйца команда увидела, как хищная оса приблизилась к птенцу, когда мать отсутствовала.

Когда оса зависла над гнездом, птенец начал энергично дергаться, как и раньше для исследователей, качая головой из стороны в сторону.

Через несколько секунд оса улетела.

Выживание в тропическом лесу

Птенец колибри-якобина напомнил Фальку и Тейлору о статье, с которой они ранее сталкивались.

Другая команда исследователей сообщила, что молодой пепельный плачущий дрозд, певчая птица, обитающая в амазонских тропических лесах, может напоминать ядовитых оранжевых гусениц из этого региона, имея ярко-оранжевый окрас и качая головой из стороны в сторону, когда его потревожат.

Фальк и его коллеги изучили других гусениц в этом регионе Панамы и обнаружили, что у многих из них есть похожие коричневые волоски, которые могут причинять болезненные укусы хищникам и даже убивать их.

Некоторые из этих гусениц также трясут головой, когда чувствуют угрозу, как и птенец.

Ученые называют эту стратегию выживания, имитирующую защитные сигналы вредного вида, мимикрией Бейтса.

Например, некоторые неядовитые молочные змеи развили узор из красного, желтого и черного цветов, похожий на ядовитых коралловых змей, чтобы отпугивать хищников.

«Многие из этих классических примеров мимикрии Бейтса включают бабочек, имитирующих других бабочек, или змей, имитирующих других змей. Но здесь у нас птица, возможно, имитирующая насекомое, позвоночное, имитирующее беспозвоночное», — сказал Тейлор.

Хотя исследование описывает единичное наблюдение, исследователи надеются в будущем проверить свою теорию с помощью экспериментов, таких как размещение искусственных птенцов с разным внешним вид

Дополнительная информация

• Что такое мимикрия Бейтса и какие еще примеры существуют в природе? - Мимикрия Бейтса — это защитный механизм, при котором безвредный вид имитирует внешний вид опасного или ядовитого вида. Примеры включают бабочек, которые копируют окраску ядовитых видов, или мух, имитирующих ос.
• Какие еще виды птиц используют мимикрию для защиты от хищников? - Кукушки часто подкладывают свои яйца в гнезда других птиц, имитируя их окраску. Некоторые виды птиц маскируются под хищников, чтобы отпугнуть врагов.
• Почему тропические леса считаются более опасными для птенцов, чем умеренные леса? - В тропических лесах больше хищников, таких как змеи, обезьяны и крупные птицы, а также выше конкуренция за ресурсы, что делает их более опасными для птенцов.
• Какие еще необычные стратегии выживания используют птицы в тропических лесах? - Некоторые птицы строят гнезда в труднодоступных местах, используют звуковые сигналы для отпугивания хищников или сотрудничают с другими видами для защиты.
• Как хищники, такие как осы, змеи и обезьяны, влияют на эволюцию защитных механизмов у птиц? - Хищники стимулируют эволюцию защитных механизмов через естественный отбор: птицы с лучшей маскировкой, мимикрией или поведенческими стратегиями выживают и передают свои гены потомству.
• Какие методы используют ученые для изучения редких видов птиц в тропических лесах? - Ученые используют камеры-ловушки, спутниковые метки для отслеживания перемещений, акустический мониторинг для записи звуков и генетический анализ для изучения популяций.

Полная версия:: How a hummingbird chick acts like a caterpillar to survive

Уникальный вид голубя — это дронт Карибского бассейна, находящийся под угрозой исчезновения.

На первый взгляд, кубинский синеголовый земляной голубь не выглядит чем-то особенным: тускло-коричневые перья, тонкий клюв и характерная для большинства голубей горделивая походка. Его легко можно не заметить, отдав предпочтение ярким кубинским попугаям. Но внешность — не главное. На протяжении десятилетий эта неприметная птица ставила биологов в тупик, так как они не знали, откуда она появилась, как попала на остров и с кем связана.

Теперь, впервые, ученые секвенировали ДНК синеголового земляного голубя, чтобы наконец разгадать эту загадку.

Однако вместо ответов они оказались в еще большем замешательстве, чем когда начинали.

"Этот вид долгое время был орнитологической загадкой", — сказала Джессика Освальд, сотрудник Флоридского музея естественной истории и ведущий автор исследования, описывающего результаты анализа ДНК.

"Мы сосредоточились на этом виде голубя, потому что ожидали необычного результата, который мог бы помочь нам понять сложную биогеографию Карибского бассейна. Мы не ожидали, что он окажется настолько уникальным с эволюционной точки зрения по сравнению с другими видами".

Раньше считалось, что синеголовые земляные голуби наиболее тесно связаны с голубями и горлицами Центральной и Южной Америки.

Но внимательные биологи начали замечать, что у них есть несколько необычных черт, более характерных для голубей и горлиц Австралазии.

Исследование, опубликованное в журнале Biology Letters, показывает, что ни одно из этих предположений не является верным.

Синеголовые земляные голуби не имеют близкого родства с видами из Австралии, но они также не связаны тесными узами с американскими голубями.

"Этот вид даже более эволюционно уникален, чем дронт", — сказала Освальд.

Дронт, как ни удивительно, также был разновидностью голубя, и у него был по крайней мере один близкий родственник, которого мы знаем, — рондский солитер, который также вымер.

Никто не знает, насколько древним является семейство голубей, но анализ ДНК в сочетании с возрастом нескольких ископаемых останков голубей в этом исследовании предполагает, что синеголовый земляной голубь мог появиться около 50 миллионов лет назад.

Даже для эволюционных биологов, чье восприятие времени лучше измеряется формированием гор, чем 12-часовыми часами, это древний возраст.

Линии, которые привели к появлению людей и шимпанзе, разделились всего 5-6 миллионов лет назад.

Древняя ДНК проливает свет на туманную историю вымирания в Карибском бассейне

Освальд проводила это исследование, работая постдокторантом в Флоридском музее.

Исследование было частью более широкой инициативы, финансируемой Национальным научным фондом, с целью выяснить причины вымирания птиц в Карибском бассейне за последние несколько тысяч лет.

По оценкам, 12% всех карибских птиц вымерли с момента появления людей на островах, среди них — гигантская сова ростом почти четыре фута, более десятка попугаев, хищная птица на 30% крупнее белоголового орлана, нелетающий ибис, который использовал свои короткие крылья как дубинки для ударов во время боев, и кондор с запутанной массой сухожилий и мышц вокруг черепа, что давало ему более сильный укус, чем у современных кондоров.

Имея только ископаемые останки, ученые часто сталкивались с трудностями в определении того, как вымершие виды Карибского бассейна связаны с современными.

Поэтому Освальд разработала методы извлечения и секвенирования древней ДНК из ископаемых останков карибских птиц.

В раннем доказательстве концепции, используя ископаемые останки вымершего карибского пещерного пастушка, она и ее коллеги обнаружили первую — хотя и вымершую — карибскую птицу, чьи ближайшие родственники находятся в Африке, Новой Гвинее и Новой Зеландии.

В последующем исследовании они использовали те же методы, чтобы показать, что попугай, который сейчас ограничен островом Эспаньола, когда-то имел гораздо более широкое распространение в Карибском бассейне до появления людей.

Синеголовый земляной голубь пока не вымер, но, возможно, находится на пути к этому.

"В Кубе осталось 1000 взрослых особей этого вида. Он находится под угрозой из-за чрезмерной охоты со стороны людей, потери среды обитания и инвазивных видов, таких как кошки. Он находится на грани исчезновения", — сказала Освальд.

Никто ранее не секвенировал ДНК этого вида, чтобы выяснить, что он собой представляет, в основном потому, что эта птица очень редкая.

Несколько экземпляров, хранящихся в североамериканских музеях, были собраны несколько десятилетий назад, что затрудняет извлечение ДНК из них с использованием стандартных методов, применяемых для свежих тканей.

Освальд попробовала свой новый метод секвенирования древней ДНК на подушечке пальца, отрезанной от экземпляра синеголового земляного голубя, собранного в 1958 году и хранящегося в Флоридском музее.

Было неясно, сработает ли метод, изначально разработанный для ископаемых,

Дополнительная информация

• Какие методы используются для секвенирования древней ДНК, и чем они отличаются от стандартных методов? - Для секвенирования древней ДНК используются методы, такие как высокопроизводительное секвенирование (NGS), которые адаптированы для работы с сильно фрагментированной и деградированной ДНК. В отличие от стандартных методов, они требуют специальной подготовки образцов и более чувствительных технологий для анализа.

• Какие еще виды птиц в Карибском бассейне находятся под угрозой исчезновения, и какие меры принимаются для их защиты? - Среди исчезающих видов Карибского бассейна можно выделить пуэрто-риканского амазона и ямайского козодоя. Меры защиты включают создание заповедников, программы разведения в неволе и борьбу с инвазивными видами.

• Как инвазивные виды, такие как кошки, влияют на экосистемы Карибского бассейна? - Кошки, как инвазивные виды, охотятся на местные виды птиц и мелких животных, что приводит к сокращению их популяций и нарушению экологического баланса.

• Какие еще примеры уникальных эволюционных линий существуют среди птиц, и как они сравниваются с синеголовым земляным голубем? - Примером уникальной эволюционной линии является гавайская цветочница, которая эволюционировала в изоляции на Гавайских островах. Как и синеголовый земляной голубь, она демонстрирует уникальные адаптации к своей среде обитания.

• Как финансирование Национального научного фонда влияет на исследования в области биоразнообразия? - Финансирование Национального научного фонда поддерживает проекты, направленные на изучение и сохранение биоразнообразия, включая исследования редких видов и их экосистем.

• Какие методы используются для восстановления популяций редких видов, таких как синеголовый земляной голубь? - Для восстановления популяций редких видов используются методы, такие как разведение в неволе, реинтродукция в естественную среду обитания и защита мест обитания от разрушения.

Полная версия:: Unique dove species is the dodo of the Caribbean and in similar danger of dying out

Игуаны преодолели пятую часть пути вокруг света, чтобы колонизировать Фиджи.

Игуан часто замечали плавающими на растительности в Карибском бассейне, а в далеком прошлом они, очевидно, преодолели 600 миль от Центральной Америки, чтобы колонизировать Галапагосские острова. Но когда речь заходит о длительных путешествиях, фиджийские игуаны вне конкуренции.

Новый анализ, проведенный биологами из Калифорнийского университета в Беркли и Университета Сан-Франциско (USF), предполагает, что примерно 34 миллиона лет назад фиджийские игуаны достигли изолированной группы островов в южной части Тихого океана, преодолев 5000 миль от западного побережья Северной Америки. Это самое длинное известное трансокеаническое расселение среди наземных позвоночных.

Расселение по воде — основной способ, с помощью которого новые острова заселяются растениями и животными, включая людей, что часто приводит к эволюции новых видов и целых экосистем.

Понимание того, как происходят такие колонизации, интересовало ученых со времен Чарльза Дарвина, создателя теории эволюции путем естественного отбора.

Новый анализ, который будет опубликован на следующей неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, предполагает, что прибытие предков фиджийских игуан совпало с образованием этих вулканических островов.

Оценка времени прибытия — 34 миллиона лет назад или позже — основана на времени генетического расхождения фиджийских игуан, Brachylophus, от их ближайших родственников, североамериканских пустынных игуан, Dipsosaurus.

Ранее биологи предполагали, что фиджийские игуаны могли произойти от более древней линии, которая была более распространена в Тихом океане, но с тех пор вымерла, оставив Brachylophus единственными игуанами в западной части Тихого океана.

Другой вариант заключался в том, что игуаны могли добраться до Фиджи из тропических частей Южной Америки через Антарктиду или даже Австралию, хотя генетических или ископаемых доказательств этому нет.

Новый анализ опровергает эти теории.

«Мы обнаружили, что фиджийские игуаны наиболее тесно связаны с североамериканскими пустынными игуанами, что ранее не было установлено, и что линия фиджийских игуан отделилась от своей сестринской линии относительно недавно, ближе к 30 миллионам лет назад, либо после, либо примерно в то же время, когда произошла вулканическая активность, которая могла создать сушу», — сказал ведущий автор исследования Саймон Скарпетта, герпетолог и палеонтолог, бывший постдокторант Калифорнийского университета в Беркли, а ныне доцент кафедры экологических наук в USF.

«То, что они достигли Фиджи напрямую из Северной Америки, кажется безумием», — сказал соавтор исследования Джимми Макгуайр, профессор интегративной биологии Калифорнийского университета в Беркли и куратор герпетологии в Музее зоологии позвоночных.

«Но альтернативные модели, предполагающие колонизацию из соседних регионов, не подходят по временным рамкам, поскольку мы знаем, что они прибыли на Фиджи в течение последних 34 миллионов лет. Это говорит о том, что как только появилась суша, где сейчас находится Фиджи, эти игуаны могли колонизировать ее. Независимо от точного времени расселения, само событие было впечатляющим».

Хотя современные моряки могут воспользоваться благоприятными ветрами, чтобы добраться до Фиджи из Калифорнии примерно за месяц, игуане — или, скорее, группе игуан — вероятно, потребовалось бы гораздо больше времени, чтобы добраться до Фиджи и Тонги, где обитает эта группа игуан, на плавающих обломках через экваториальные штили.

К счастью, игуаны крупные, травоядные и привыкли к длительным периодам без пищи и воды.

А если плавающие обломки состояли из вырванных с корнем деревьев, то сам плот мог служить источником пищи.

«Можно представить, что какой-то циклон повалил деревья, где находилась группа игуан и, возможно, их яйца, а затем они попали в океанские течения и дрейфовали», — сказал Скарпетта.

Фиджийские игуаны — исключение

Всего в подотряде Iguania насчитывается более 2100 видов, включая таких животных, как хамелеоны, анолисы, бородатые агамы и рогатые ящерицы.

Большинство людей представляют себе игуан как представителей семейства ящериц Западного полушария, Iguanidae, которые включают и в основном похожи на широко распространенную зеленую игуану Центральной и Южной Америки, которую Карл Линней описал как Iguana iguana в 1758 году.

В Карибском бассейне и тропических, субтропических и пустынных районах Северной, Центральной и Южной Америки обитают 45 видов Iguanidae.

Среди них — известные морские игуаны Галапагосских островов, а также чакваллы юго-запада США.

Фиджийские игуаны являются исключением, находясь в одиночестве посреди Тихого океана.

Четыре вида на Фиджи и Тонге занесены в список находящихся под угрозой исчезновения, в основном из-за потери среды обитания, хищничества инвазивных крыс и эксплуатации контрабандистами, поставляющими их на рынок

Дополнительная информация

• Какие механизмы позволяют игуанам выживать без пищи и воды в течение длительного времени? - Игуаны способны замедлять свой метаболизм, что позволяет им экономить энергию и выживать в условиях нехватки ресурсов. Они также накапливают жировые запасы, которые используются в периоды голодания.

• Как вулканическая активность способствовала формированию островов Фиджи 34 миллиона лет назад? - Острова Фиджи образовались в результате вулканической активности, когда извержения лавы накапливались на дне океана, постепенно формируя острова. Этот процесс занял миллионы лет.

• Какие другие примеры трансокеанического расселения наземных позвоночных известны науке? - Примеры включают расселение лемуров на Мадагаскар и ящериц на Карибские острова. Животные могли использовать плавучие средства, такие как растительные плоты, чтобы преодолевать океаны.

• Почему фиджийские игуаны оказались изолированы в Тихом океане, в отличие от других игуан? - Удаленность островов Фиджи и отсутствие сухопутных связей с другими регионами привели к географической изоляции, что способствовало уникальной эволюции фиджийских игуан.

• Какие экологические последствия имело прибытие игуан на Фиджи для местных экосистем? - Прибытие игуан привело к изменениям в пищевых цепях, так как они конкурировали с местными видами за ресурсы, такие как пища и места обитания.

• Как инвазивные крысы и контрабандисты влияют на популяцию фиджийских игуан? - Инвазивные крысы конкурируют с игуанами за пищу и места обитания, а контрабандисты незаконно вывозят игуан, что сокращает их популяцию и угрожает биоразнообразию.

Полная версия:: Iguanas floated one-fifth of the way around the world to colonize Fiji

Квантовые инженеры "сжимают" лазерные частотные гребенки для создания более чувствительных газовых сенсоров.

Секрет создания лучшего квантового сенсора? Просто немного сожмите его.

Впервые в истории ученые использовали технику под названием "квантовое сжатие" для улучшения характеристик газовых сенсоров, известных как лазеры с оптическими частотными гребенками. Эти сверхточные сенсоры работают как сканеры отпечатков пальцев для молекул газа. Ученые использовали их для обнаружения утечек метана в воздухе над нефтегазовыми объектами и признаков инфекции COVID-19 в образцах дыхания людей.

Теперь, в серии лабораторных экспериментов, исследователи наметили путь для повышения чувствительности и скорости таких измерений — удвоив скорость работы детекторов частотных гребенок. Работа стала результатом сотрудничества Скотта Диддамса из Университета Колорадо в Боулдере и Жерома Жене из Университета Лаваля в Канаде.

"Представьте, что вы находитесь в ситуации, где необходимо обнаружить минимальные количества опасного газа на заводе", — сказал Диддамс, профессор кафедры электротехники, компьютерных технологий и энергетики. "Требование всего 10 минут вместо 20 может иметь большое значение для обеспечения безопасности людей."

Он и его коллеги опубликовали свои результаты 16 января в журнале Science. Исследование возглавил Дэниел Герман, постдокторант кафедры электротехники, компьютерных технологий и энергетики.

В то время как обычные лазеры излучают свет только одного цвета, лазеры с частотными гребенками испускают импульсы, состоящие из тысяч или миллионов цветов — одновременно. В новом исследовании ученые использовали обычные оптические волокна для точного управления импульсами, исходящими от таких лазеров. Они смогли "сжать" этот свет, сделав некоторые его свойства более точными, а другие — немного более случайными.

Другими словами, исследование представляет собой победу над естественной случайностью и флуктуациями, существующими во Вселенной на очень малых масштабах.

"Победить квантовую неопределенность сложно, и это не дается бесплатно", — сказал Диддамс. "Но это действительно важный шаг для мощного нового типа квантовых сенсоров."

Управление фотонами

Результаты представляют собой последний шаг в эволюции частотных гребенок — технологии, созданной в JILA, совместном исследовательском институте Университета Колорадо в Боулдере и Национального института стандартов и технологий (NIST). Диддамс был частью команды под руководством Яна Холла из JILA, которая впервые разработала лазеры с частотными гребенками в конце 1990-х годов. Холл получил Нобелевскую премию по физике за эту работу в 2005 году.

Когда такие лазерные импульсы проходят через атмосферу, молекулы на их пути поглощают определенные цвета света, но не другие. Ученые могут определить, что находится в воздухе, основываясь на том, какие цвета отсутствуют в их лазерном свете. Представьте это как расческу, которая потеряла несколько зубцов — отсюда и название.

Но такие измерения также сопровождаются внутренними неопределенностями, отметил Диддамс.

Свет, как он объяснил, состоит из крошечных пакетов, называемых фотонами. Хотя лазеры могут выглядеть упорядоченными снаружи, их отдельные фотоны далеки от этого.

"Если вы детектируете эти фотоны, они не приходят с идеально равномерной скоростью, например, один за наносекунду", — сказал Диддамс. "Вместо этого они прибывают в случайные моменты времени."

Это, в свою очередь, создает то, что он называет "размытостью" в данных, поступающих от сенсора с частотной гребенкой.

Введение квантового сжатия

В квантовой физике многие свойства связаны таким образом, что точное измерение одного из них делает измерения другого менее точными. Классический пример — скорость и положение маленькой частицы, такой как электрон: вы можете знать, где находится электрон или как быстро он движется, но никогда не оба одновременно. Сжатие — это техника, которая максимизирует один тип измерения за счет другого.

В серии лабораторных экспериментов Диддамс и его коллеги достигли этого удивительно простым способом: они пропустили свои импульсы света частотной гребенки через обычное оптическое волокно, не сильно отличающееся от того, что доставляет интернет в ваш дом.

Структура волокна изменила свет таким образом, что фотоны от лазеров стали прибывать с более регулярными интервалами. Но это увеличение упорядоченности имело свою цену. Стало немного сложнее измерять частоту света или то, как фотоны колеблются, создавая определенные цвета.

Однако этот компромисс позволил исследователям обнаруживать молекулы газа с гораздо меньшим количеством ошибок, чем раньше.

Они протестировали этот подход в лаборатории, используя образцы сероводорода — молекулы, которая часто встречается при извержениях вулканов и имеет запах тухлых яиц. Команда сообщила, что смогла обнаружить эти молекулы примерно в два раза быстрее с помощью сжатой частотной гребенки, чем с традиционным устройством. Исследователи также смогли достичь этого эффекта в диапазоне инфракрасного света, примерно в 1000 раз большем, чем удавалось ранее.

Группе еще предстоит работа, прежде чем новый сенсор сможет быть применен в реальных условиях.

"Но наши результаты показывают, что мы ближе, чем когда-либо, к применению квантовых частотных гребенок в реальных сценариях", — сказал Герман.

Диддамс согласился: "Учен

Дополнительная информация

• Как работает квантовое сжатие в других областях физики, кроме газовых сенсоров? - Квантовое сжатие используется в квантовой оптике для уменьшения шума в измерениях, в квантовой информатике для повышения точности вычислений и в гравитационно-волновой астрономии для обнаружения слабых сигналов.
• Какие еще молекулы можно обнаруживать с помощью лазеров с частотными гребенками, кроме метана и сероводорода? - Лазеры с частотными гребенками могут обнаруживать углекислый газ, аммиак, оксиды азота и другие молекулы, что полезно для экологического мониторинга и медицинской диагностики.
• Какие ограничения существуют у традиционных газовых сенсоров по сравнению с квантовыми частотными гребенками? - Традиционные сенсоры менее чувствительны, медленнее и требуют частой калибровки, тогда как квантовые частотные гребенки обеспечивают высокую точность и скорость измерений.
• Как фотоны ведут себя в других квантовых системах, кроме лазеров с частотными гребенками? - Фотоны используются в квантовых компьютерах для передачи информации, в квантовой криптографии для безопасной связи и в квантовой телепортации для передачи квантовых состояний.
• Какие еще технологии были разработаны в JILA, кроме лазеров с частотными гребенками? - В JILA разработаны атомные часы с рекордной точностью, методы квантовой симуляции и технологии работы с ультрахолодными атомами.
• Как квантовое сжатие может быть применено в медицине, кроме обнаружения COVID-19? - Квантовое сжатие может улучшить точность медицинской визуализации, например, в МРТ и оптической когерентной томографии, что позволяет получать более четкие изображения тканей.
• Какие технические сложности возникают при использовании инфракрасного света в квантовых сенсорах? - Инфракрасный свет требует сложного оборудования для детектирования и обработки сигналов, что может быть дорого и энергозатратно, а также требует высококачественных материалов для оптики.

Полная версия:: Quantum engineers 'squeeze' laser frequency combs to make more sensitive gas sensors

Квантовая спиновая модель, созданная из нанографитеновых молекул.

В 2024 году исследователи Empa и их партнеры впервые успешно реализовали так называемую одномерную чередующуюся модель Гейзенберга с использованием синтетического материала. Эта теоретическая квантово-физическая модель, известная уже почти столетие, описывает линейную цепочку спинов — тип квантового магнетизма. Теперь исследователи под руководством Романа Фаселя, главы лаборатории nanotech@surfaces в Empa, также смогли воссоздать в лаборатории "родственную" модель.

В чередующейся модели спины связаны в паттерне с чередующимися сильными и слабыми связями. Однако в новой модели спины соединены равномерно. Это, казалось бы, незначительное различие приводит к принципиально разным свойствам: спины в однородной цепочке сильно запутаны и демонстрируют дальнодействующие корреляции, при этом отсутствует энергетический зазор между основным состоянием и возбужденными состояниями. В отличие от этого, в чередующейся цепочке возникает энергетический зазор, а спины стремятся образовывать сильные парные связи, при этом корреляции быстро уменьшаются (экспоненциально). Исследователи смогли точно подтвердить эти предсказания теоретической квантовой физики в своих нанографитеновых спиновых цепочках. Соответствующие результаты были недавно опубликованы в последнем выпуске журнала Nature Materials.

Обе модели были реализованы с использованием нанографитенов — крошечных фрагментов двумерного углеродного материала графена. Точное управление формой этих фрагментов позволяет исследователям манипулировать их (квантовыми) физическими свойствами. Цель состоит в том, чтобы разработать материальную платформу, которая позволит экспериментально изучать различные квантовые модели и эффекты.

Шаг (пусть и крошечный) к практическому применению квантовых технологий

Два эксперимента Гейзенберга подчеркивают этот подход. Для модели чередующейся спиновой цепочки исследователи использовали так называемые "кубки Клара" в качестве исходного материала — нанографитеновые молекулы в форме песочных часов, состоящие из одиннадцати углеродных колец. Для однородной цепочки Гейзенберга они использовали другой нанографитен — олимпицен, который состоит из пяти колец и получил свое название благодаря сходству с олимпийскими кольцами.

"Мы во второй раз продемонстрировали, что теоретические модели квантовой физики могут быть реализованы с использованием нанографитенов, что делает их предсказания экспериментально проверяемыми", — говорит Фасель. В дальнейшем исследователи планируют использовать свои нанографитены для создания и изучения ферримагнитных спиновых цепочек. В таких цепочках магнитные моменты выстраиваются антипараллельно, но не полностью компенсируют друг друга. Также большой интерес представляют двумерные спиновые решетки, которые демонстрируют гораздо большее разнообразие фаз по сравнению со спиновыми цепочками, включая топологические состояния, квантовые спиновые жидкости и экзотические критические явления. Это делает их особенно интересными как для фундаментальных исследований, так и для практических приложений.

В конце концов, воссоздание моделей из учебников по квантовой физике — это не просто академическое упражнение, но и практическая цель. Квантовые технологии обещают прорывы в области коммуникаций, вычислительной мощности, измерительной техники и многого другого. Однако квантовые состояния хрупки, а их эффекты трудно уловить, что делает исследования в области реальных приложений особенно сложными. С помощью своего нанографитенового "квантового Lego" исследователи Empa надеются глубже понять квантовые эффекты и тем самым проложить путь к применимым квантовым технологиям.

Дополнительная информация

• Что такое ферримагнетизм и чем он отличается от ферромагнетизма? - Ферримагнетизм — это тип магнитного упорядочения, при котором магнитные моменты атомов частично компенсируют друг друга, в отличие от ферромагнетизма, где все моменты выровнены в одном направлении.
• Какие практические применения могут иметь двумерные спиновые решетки? - Двумерные спиновые решетки могут использоваться для создания новых материалов с уникальными магнитными свойствами, а также в квантовых вычислениях и спинтронике.
• Как нанографитены позволяют манипулировать квантовыми свойствами? - Нанографитены, благодаря своей уникальной структуре, позволяют контролировать электронные и спиновые состояния, что делает их перспективными для квантовых технологий.
• Что такое топологические состояния в квантовой физике и почему они важны? - Топологические состояния — это квантовые состояния, которые устойчивы к внешним воздействиям благодаря своей топологической природе. Они важны для создания устойчивых квантовых систем и квантовых компьютеров.
• Какие эксперименты с квантовыми спиновыми жидкостями проводятся сегодня? - Сегодня исследуются материалы, которые могут проявлять свойства квантовых спиновых жидкостей, такие как киттелевские спиновые жидкости, для понимания экзотических квантовых явлений и разработки новых технологий.

Полная версия:: Quantum spin model made from nanographene molecules

Ученые используют свет для раскрытия секретов атомов.

Команда исследователей из Университета Оттавы добилась значительных успехов в понимании ионизации атомов и молекул — фундаментального процесса в физике, который имеет важное значение для различных областей, включая генерацию рентгеновского излучения и физику плазмы.

Представьте себе атомы — строительные блоки всего, что нас окружает. Иногда они теряют свои электроны и становятся заряженными частицами (это и есть ионизация). Это происходит в молниях, плазменных телевизорах и даже в северном сиянии. До сих пор ученые считали, что этот процесс можно контролировать лишь ограниченными способами.

Под руководством Рави Бхардваджа, профессора физического факультета Университета Оттавы, и аспиранта Жан-Люка Бегена, в сотрудничестве с профессорами Эбрахимом Карими, Полом Коркумом и Томасом Брабеком, исследование представило инновационные методы управления ионизацией с использованием специально структурированных световых пучков.

Ионизация играет ключевую роль в физике сильных полей и аттосекундной науке, где она описывает, как электроны покидают свои атомные связи. Традиционно считалось, что этот процесс невозможно контролировать за пределами определенных пределов. Однако новое исследование бросает вызов этому представлению.

«Мы продемонстрировали, что, используя оптические вихревые пучки — световые пучки, несущие угловой момент, — мы можем точно контролировать, как электрон выбивается из атома», — объясняет профессор Бхардвадж. «Это открытие открывает новые возможности для улучшения технологий в таких областях, как визуализация и ускорение частиц».

Исследование проводилось в течение двух лет в Центре передовых исследований Университета Оттавы. Команда обнаружила, что направленность и свойства оптических вихревых пучков значительно влияют на скорость ионизации. Регулируя положение «области нулевой интенсивности» внутри пучка, они добились селективной ионизации, введя новое понятие, называемое оптическим дихроизмом.

Ключевые результаты исследования включают:

Первое доказательство того, что ионизация зависит от свойств световых пучков, несущих угловой момент. Улучшенный контроль над процессами ионизации, который может привести к прогрессу в методах визуализации за пределами текущих ограничений. Новое понимание того, как свет можно использовать для влияния на поведение электронов беспрецедентными способами.

Эта работа основывается на фундаментальных теориях в данной области и имеет потенциал революционизировать подход ученых к ионизации. Это не только для учебников по физике — это может привести к улучшению медицинской визуализации, более быстрым компьютерам и более эффективным способам изучения материалов. Особенно перспективным это является для квантовых вычислений, где контроль над отдельными частицами имеет решающее значение.

Профессор Бхардвадж подчеркивает важность этого прорыва: «Изменение нашего представления о том, как электроны выбиваются из атомов, было сложной задачей, но наше исследование доказывает, что использование передовых лазерных технологий может привести к новым открытиям, которые повлияют как на науку, так и на технологии».

Дополнительная информация

• Что такое угловой момент света и как он влияет на взаимодействие света с атомами? - Угловой момент света — это физическая величина, связанная с вращением света. Он может передаваться атомам, изменяя их состояние, что важно для управления квантовыми системами.
• Как оптические вихревые пучки отличаются от обычных лазерных пучков? - Оптические вихревые пучки имеют спиральную фазу, что создает орбитальный угловой момент. Это позволяет использовать их для манипуляции микрочастицами и в квантовых технологиях.
• Что такое аттосекундная наука и почему она важна для изучения ионизации? - Аттосекундная наука изучает процессы, происходящие за аттосекунды (10^-18 секунд). Это позволяет наблюдать сверхбыстрые электронные процессы, такие как ионизация, в реальном времени.
• Как оптический дихроизм может быть использован в практических приложениях, таких как медицинская визуализация? - Оптический дихроизм используется для улучшения контраста изображений, что полезно в диагностике заболеваний и изучении тканей.

Полная версия:: Scientists use light to unlock secret of atoms

Детекторы элементарных частиц, напечатанные на 3D-принтере.

В 2024 году коллаборация T2K начала сбор новых данных о нейтрино после нескольких модернизаций эксперимента, включая новые типы детекторов. Один из них, называемый SuperFGD, имеет массу около 2 тонн чувствительного объема и состоит из примерно двух миллионов кубиков. Каждый кубик изготовлен из пластикового сцинтиллятора (PS), материала, который излучает свет, когда через него проходит заряженная частица. Нейтрино, как следует из их названия, не имеют заряда, но иногда взаимодействуют с другими частицами, производя электроны, протоны, мюоны или пионы, которые могут быть обнаружены. Каждый кубик PS пересекается тремя ортогональными оптическими волокнами, которые собирают сцинтилляционный свет и направляют его к 56 000 фотодетекторам. Данные позволяют получить трехмерные (3D) треки частиц, что, в свою очередь, помогает исследователям узнать больше о нейтрино.

Модернизация детекторов такого рода имеет решающее значение для повышения возможностей открытий в крупных экспериментах по физике элементарных частиц, и все же справедливо задаться вопросом: что нужно для сборки, кубик за кубиком и слой за слоем, 2 миллионов кубиков PS в работающий детектор частиц? Можно ли по-другому строить крупномасштабные детекторы в физике высоких энергий? Эти вопросы мотивируют одно из направлений работы профессоров Давиде Сгалаберны и Андре Руббиа из Института физики элементарных частиц и астрофизики. Вместе с коллегами из ETH Zurich, CERN, HES-SO, HEIG-VD, COMATEC-AddiPole и Института сцинтилляционных материалов в Украине Сгалаберна и Руббиа недавно опубликовали исследовательскую статью в журнале Communications Engineering, где представили полностью аддитивно изготовленный детектор пластикового сцинтиллятора для элементарных частиц. Все авторы являются частью коллаборации 3D Printed DETector (3DET), которую возглавляет Сгалаберна при технической координации доктора Умута Косе. Команда считает, что их демонстрация является значительным шагом в направлении создания временно- и затратно-эффективных способов строительства будущих крупномасштабных детекторов частиц.

Инженерная проблема

Детекторы PS позволяют отслеживать пути и измерять потери энергии заряженных частиц, проходящих через сцинтилляционный материал, с быстрым временным откликом. Эти характеристики определили их растущий успех с момента их предложения в 1950-х годах. В PS флуоресцентные излучатели, называемые флуорами, вводятся в твердую полимерную матрицу. Заряженная частица, проходящая через материал, возбуждает полимерную матрицу: нетепловое диполь-дипольное взаимодействие передает энергию возбуждения флуорам, которые девозбуждаются, излучая ближний ультрафиолетовый свет в течение нескольких наносекунд. Второй тип флуора часто добавляется в полимер для сдвига длины волны излучаемого света и предотвращения поглощения в сцинтилляционном материале. Оптические волокна собирают свет, производимый PS, сдвигая его длину волны в зеленую часть видимого спектра, что позволяет улавливать излучаемый свет и увеличивать его длину затухания.

Для оптимального отслеживания элементарных частиц так называемые гранулированные 3D-сцинтилляционные детекторы собираются из множества меньших объемов, таких как кубики PS в SuperFGD. В этом сценарии крайне важно, чтобы меньшие единицы были оптически изолированы для независимого отслеживания различных заряженных частиц. Коллаборация 3DET знакома с такими собранными детекторами: Сгалаберна разработал концепцию SuperFGD и руководил его разработкой и строительством в качестве члена коллаборации T2K. Подобно тому, как 2D-экран ноутбука или смартфона состоит из отдельных светящихся пикселей, гранулированный 3D-детектор частиц можно рассматривать как набор сцинтиллирующих вокселей. Все воксели должны работать вместе, чтобы предоставлять высококачественные данные: каждый воксель изолирован, но является частью большего целого.

"Это действительно инженерная проблема", — говорит первый автор статьи Тим Вебер о демонстрации, описанной в статье. Обучаясь на инженера-механика в ETH Zurich, Вебер присоединился к группе экзотической материи и физики нейтрино на факультете физики и коллаборации 3DET три года назад и привнес свой разнообразный опыт в области аддитивного производства (AM), широко известного как 3D-печать. Он предпочитает прагматичный взгляд на вопрос: если цель — строить все более крупные детекторы частиц с отличным разрешением треков, время и затраты на производство должны быть сокращены. Это требует решений, которые гарантируют скорость производства без ущерба для качества и производительности детектора частиц.

Идеальная производственная система может создавать тысячи сцинтиллирующих вокселей в монолитном блоке. Коллаборация 3DET и другие уже работали с AM для прототипов детекторов PS; некоторые из ранних проблем, с которыми они столкнулись — особенно в плане производительности детектора — подчеркнули два ключевых момента принятия решений: выбор материалов и тип процессов AM, используемых для производства детектора. Например, AM обычно не справляется с обработкой нескольких материалов при достижении прозрачности материала, необходимой для того, чтобы сцинтилляционный свет не поглощался PS. Кроме того, не все процессы AM могут производить полые

Дополнительная информация

• Как работает процесс аддитивного производства (3D-печати) для создания детекторов элементарных частиц? - Аддитивное производство позволяет создавать сложные геометрические структуры с высокой точностью, что особенно полезно для детекторов частиц, где важны точность и минимизация материала.

• Какие материалы используются в пластиковых сцинтилляторах, и как они взаимодействуют с заряженными частицами? - В пластиковых сцинтилляторах используются полимеры, такие как полистирол, которые при взаимодействии с заряженными частицами генерируют свет (сцинтилляцию), что позволяет регистрировать частицы.

• Какие преимущества и недостатки имеют гранулированные 3D-сцинтилляционные детекторы по сравнению с другими типами детекторов? - Преимущества: высокая точность и возможность создания сложных структур. Недостатки: более высокая стоимость и сложность производства по сравнению с традиционными детекторами.

• Как оптические волокна в детекторах SuperFGD собирают и передают свет, и почему это важно для обнаружения частиц? - Оптические волокна собирают свет, генерируемый при взаимодействии частиц с сцинтиллятором, и передают его на фотоумножители, что позволяет точно определить положение и энергию частиц.

• Какие инженерные и научные проблемы возникают при производстве крупномасштабных детекторов частиц с использованием 3D-печати? - Основные проблемы включают обеспечение точности на больших масштабах, выбор подходящих материалов и минимизацию дефектов при печати.

• Как коллаборация 3DET планирует решать проблемы, связанные с прозрачностью материалов и обработкой нескольких материалов в 3D-печати? - Коллаборация 3DET разрабатывает новые методы 3D-печати, которые улучшают прозрачность материалов и позволяют эффективно работать с несколькими материалами одновременно.

Полная версия:: Elementary-particle detectors, 3D printed

Рентгеновский снимок: как свет изменяет активное вещество.

Многие биологически важные молекулы меняют свою форму под воздействием ультрафиолетового излучения. Хотя это свойство также встречается у некоторых лекарственных препаратов, оно до сих пор недостаточно изучено. Используя инновационную методику, международная команда исследователей из Университета Гёте во Франкфурте, Европейского XFEL в Шенефельде и Немецкого электронного синхротрона DESY в Гамбурге смогла прояснить этот сверхбыстрый процесс и визуализировать его в замедленной съемке с помощью рентгеновского излучения. Этот метод открывает захватывающие новые возможности для анализа множества других молекул.

"Мы исследовали молекулу 2-тиоурацила, которая относится к группе фармакологически активных веществ, основанных на определенных строительных блоках ДНК — нуклеотидах", — говорит последний автор исследования Маркус Гюр, руководитель свободно-электронного лазера FLASH в DESY и профессор химии в Университете Гамбурга.

2-тиоурацил и его химически родственные активные вещества содержат атом серы, что придает молекулам необычные, медикаментозно значимые свойства.

"Еще одна особенность заключается в том, что эти молекулы становятся опасно реактивными под воздействием УФ-излучения". Исследования указывают на повышенный риск развития рака кожи из-за этого эффекта.

Чтобы лучше понять, что происходит во время таких процессов, исследовательская команда использовала уже хорошо зарекомендовавший себя метод, доведя его до нового уровня благодаря современным техническим возможностям.

"Метод визуализации кулоновского взрыва предполагает облучение молекулы интенсивными рентгеновскими импульсами, которые выбивают электроны", — объясняет Тилль Янке, профессор экспериментальной атомной и молекулярной физики в Университете Гёте и первый автор исследования.

"В результате молекула заряжается положительно и становится нестабильной, что приводит к ее разрушению за доли секунды". Отслеживая направление, в котором разлетаются различные фрагменты молекулы — атомы, можно получить информацию о структуре молекулы.

До сих пор метод визуализации кулоновского взрыва давал полезные результаты только для очень простых молекул.

Используя экспериментальную установку, специально разработанную в Университете Гёте, исследовательская команда объединила эту технику с самым мощным в мире рентгеновским лазером European XFEL, используя научный инструмент SQS ("Small Quantum Systems") EuXFEL.

"Этот эксперимент является техническим прорывом во многих отношениях и представляет собой важное расширение экспериментальных возможностей, доступных на инструменте SQS. Впервые стало возможным использовать эти методы визуализации для биологически и медицински значимой молекулы, а не только для фундаментальных исследований в физике", — говорит Майкл Майер, руководитель инструмента SQS, о успешном эксперименте.

Мощные рентгеновские импульсы European XFEL позволили фрагментировать эту молекулу и, таким образом, провести анализ ее структуры.

Исследователи направляли молекулы в луч рентгеновского лазера с помощью тонкой газовой форсунки, что означает, что каждый раз облучались только отдельные, изолированные молекулы.

Дополнительный УФ-импульс, облучаемый незадолго до рентгеновского импульса, использовался для возбуждения молекул.

"Изменяя временной интервал между двумя импульсами, можно получить что-то вроде замедленной съемки этих процессов, которые происходят с невероятной скоростью в течение 100-1000 фемтосекунд, то есть менее чем за миллионную долю миллионной доли секунды", — объясняет Янке.

В конце процесса сложный детектор регистрировал точки и время ударов различных атомов 2-тиоурацила.

Эксперимент выявил два важных результата, первый из которых касается 2-тиоурацила: УФ-излучение вызывает изгиб этой обычно плоской молекулы, что, в свою очередь, приводит к выпячиванию атома серы.

Это состояние остается стабильным относительно долгое время; оно обеспечивает высокую реактивность молекулы и может, например, вызывать рак кожи.

"Это также значительное отличие от обычных нуклеотидов, которые структурно очень похожи, но не содержат атома серы", — говорит Гюр. "Вместо этого у них есть механизм для обработки УФ-излучения и его преобразования в безвредное тепло через различные состояния возбуждения и колебания". В случае 2-тиоурацила атом серы препятствует такому преобразованию.

"Второй результат связан с самой экспериментальной методикой", — говорит Янке. "Как мы увидели, нам не нужно отслеживать все атомы с помощью детектора, чтобы восстановить молекулу и ее структурные изменения. В данном случае нам достаточно было измерить атомы серы и кислорода, а также четыре ядра водорода, и мы могли игнорировать шесть атомов углерода". Этот вывод значительно упростит измерения в будущих исследованиях более сложных молекул и наглядно демонстрирует огромные возможности этого инновационного метода.

Дополнительная информация

• Как атом серы влияет на реактивность молекул в биологически активных веществах? - Атом серы способен образовывать прочные ковалентные связи, что повышает стабильность молекул и влияет на их реактивность, особенно в биологически активных веществах, таких как ферменты и аминокислоты.
• Какие еще молекулы могут быть исследованы с помощью метода визуализации кулоновского взрыва? - Метод кулоновского взрыва подходит для изучения сложных молекул, таких как белки, ДНК и крупные органические соединения, которые могут быть разрушены под воздействием интенсивного лазерного излучения.
• Как работает рентгеновский лазер European XFEL и чем он отличается от других лазеров? - European XFEL генерирует сверхкороткие и интенсивные рентгеновские импульсы, что позволяет изучать структуру молекул с атомарным разрешением. Он отличается высокой интенсивностью и частотой импульсов по сравнению с обычными рентгеновскими лазерами.
• Какие еще методы используются для изучения сверхбыстрых молекулярных процессов? - Для изучения сверхбыстрых процессов используются методы, такие как фемтосекундная спектроскопия, электронная микроскопия и синхротронное излучение.
• Как атом серы препятствует преобразованию УФ-излучения в тепло? - Атом серы поглощает УФ-излучение и рассеивает его энергию, предотвращая её преобразование в тепло, что делает молекулы с серой устойчивыми к УФ-повреждениям.
• Какие еще молекулы содержат атом серы и как это влияет на их свойства? - Молекулы, такие как цистеин, метионин и дисульфидные связи в белках, содержат атом серы, что придаёт им уникальные химические свойства, такие как способность к образованию прочных связей и участие в окислительно-восстановительных реакциях.

Полная версия:: X-ray snapshot: How light bends an active substance

Как химия и сила создают загадочные спиральные узоры на твердых поверхностях.

Любопытство по поводу ошибки, которая оставила крошечные точки на германиевой пластине с напыленными металлическими пленками, привело к открытию красивых спиральных узоров, вытравленных на поверхности полупроводника в результате химической реакции. Дальнейшие эксперименты показали, что эти узоры возникают из химических реакций, которые связаны с механическими силами через деформацию катализирующего агента. Новая система представляет собой первый значительный прорыв в экспериментальных методах изучения формирования химических узоров с 1950-х годов. Изучение этих сложных систем поможет ученым понять другие природные процессы, от образования трещин в материалах до влияния стресса на биологический рост.

Аспирантка Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) Илин Вонг заметила, что на одном из ее образцов появились крошечные точки, которые случайно оставили на ночь. Многослойный образец состоял из германиевой пластины, покрытой напыленными металлическими пленками, в контакте с каплей воды. На всякий случай она рассмотрела точки под микроскопом и не могла поверить своим глазам. На поверхности германия были вытравлены красивые спиральные узоры, образовавшиеся в результате химической реакции.

Любопытство Вонг привело ее к открытию, которое никто раньше не видел: сотни почти идентичных спиральных узоров могут спонтанно формироваться на квадратном сантиметре германиевого чипа. Более того, небольшие изменения в параметрах эксперимента, такие как толщина металлической пленки, приводили к появлению различных узоров, включая архимедовы спирали, логарифмические спирали, формы лотоса, радиально-симметричные узоры и многое другое.

Открытие, опубликованное в журнале Physical Review Materials, произошло случайно, когда Вонг допустила небольшую ошибку, пытаясь привязать ДНК к металлической пленке.

«Я пыталась разработать метод измерения для классификации биомолекул на поверхности через разрыв и восстановление химических связей», — сказала Вонг. «Закрепление молекул ДНК на твердом субстрате — довольно распространенная практика. Думаю, никто из тех, кто допустил такую же ошибку, как я, не посмотрел под микроскоп».

Чтобы узнать больше о том, как формируются узоры, Вонг и ее соавтор Джованни Зокки, профессор физики UCLA, исследовали систему, которая включала напыление 10-нанометрового слоя хрома на поверхность германиевой пластины, за которым следовал 4-нанометровый слой золота. Затем исследователи поместили каплю мягкого травильного раствора на поверхность и оставили ее высыхать на ночь, после чего промыли и повторно инкубировали чип с тем же травильным раствором в увлажненной камере, чтобы предотвратить испарение.

«Эта система по сути образует электролитический конденсатор», — сказал Зокки.

В течение 24–48 часов химическая реакция, катализируемая металлической пленкой, вытравила удивительные узоры на поверхности германия. Исследование процесса показало, что пленки хрома и золота находились под напряжением и отслоились от германия по мере протекания каталитической реакции. Возникающее напряжение создавало складки в металлической пленке, которые при дальнейшем катализе вытравливали удивительные узоры, которые увидели исследователи.

«Толщина металлического слоя, начальное состояние механического напряжения образца и состав травильного раствора играют роль в определении типа формирующегося узора», — сказал Зокки.

Одним из самых захватывающих открытий в этом исследовании стало то, что узоры не являются чисто химическими, а зависят от остаточного напряжения в металлической пленке. Исследование предполагает, что предшествующее напряжение или сжатие металла определяет форму узоров. Таким образом, два процесса — химический и механический — работали вместе, чтобы создать узоры.

Такой тип связи, возникающий между каталитически обусловленными деформациями поверхности и лежащими в основе химическими реакциями, необычен для лабораторных экспериментов, но распространен в природе. Ферменты катализируют рост в природе, что деформирует клетки и ткани. Именно эта механическая нестабильность заставляет ткани расти в определенные формы, некоторые из которых напоминают те, что наблюдались в экспериментах Вонг.

«В биологическом мире такая связь на самом деле повсеместна», — сказал Зокки. «Мы просто не думаем об этом в лабораторных экспериментах, потому что большинство экспериментов по формированию узоров проводятся в жидкостях. Именно поэтому это открытие так захватывающе. Оно дает нам неживую лабораторную систему для изучения такого рода связи и ее удивительной способности формировать узоры».

Изучение формирования узоров в химических реакциях началось в 1951 году, когда советский химик Борис Белоусов случайно обнаружил химическую систему, способную спонтанно колебаться во времени, что положило начало новым направлениям в изучении химического формирования узоров и неравновесной термодинамики. В то же время и независимо британский математик Алан Тьюринг обнаружил, что химические системы, позже названные «реакционно-диффузионными системами», могут спонтанно формировать узоры в пространстве, такие как полосы или горошек. Динамика реакционно-диффузионных процессов, наблюдаемая в экспериментах Вонг, отражала теоретические предположения Тьюринга.

Хотя область сложных систем в физике и формирования узоров переживала период популярности в 1980-х и 1990-х годах, до сих пор экспериментальные системы, используемые для

Дополнительная информация

• Как механическое напряжение в металлических пленках влияет на формирование узоров? - Механическое напряжение может вызывать деформацию материала, что приводит к образованию узоров, таких как трещины или спирали, из-за неравномерного распределения сил.
• Какие еще природные процессы могут быть объяснены через связь химических реакций и механических сил? - Примером может служить рост кристаллов, где химические реакции и механические силы взаимодействуют, определяя форму и структуру кристалла.
• Какие еще материалы, кроме германия, могут демонстрировать подобные спиральные узоры? - Кремний, некоторые полимеры и металлические сплавы также могут образовывать спиральные узоры при определенных условиях.
• Как открытие Бориса Белоусова повлияло на современные исследования в области химического формирования узоров? - Открытие колебательных химических реакций Белоусова стало основой для изучения самоорганизующихся систем и формирования сложных узоров в химии.
• Какие практические применения могут иметь спиральные узоры, созданные химическими и механическими процессами? - Спиральные узоры могут использоваться в нанотехнологиях для создания материалов с уникальными оптическими или механическими свойствами.
• Какую роль играет состав травильного раствора в формировании различных типов узоров? - Состав раствора определяет скорость и тип химических реакций, что влияет на форму и структуру образующихся узоров.
• Какие еще эксперименты могут быть проведены для изучения связи между химическими реакциями и механическими силами? - Эксперименты с различными материалами, температурами и условиями окружающей среды могут помочь лучше понять это взаимодействие.

Полная версия:: How chemistry and force etch mysterious spiral patterns on solid surfaces

Техника манипуляции водными волнами для точного управления плавающими объектами

Международная группа ученых под руководством Наньянского технологического университета в Сингапуре (NTU Singapore) обнаружила способ манипулирования водными волнами, позволяющий захватывать и точно перемещать плавающие объекты — почти как если бы их направляла невидимая сила.

Метод заключается в генерации и объединении водных волн для создания сложных поверхностных паттернов, таких как закрученные петли и вихревые структуры.

Лабораторные эксперименты показали, что эти паттерны могут притягивать близлежащие плавающие объекты, например, небольшие пенопластовые шарики размером с рисовое зерно, и удерживать их внутри этих структур. Некоторые паттерны действуют как пинцет или "тракторный луч", удерживая плавающие шарики на поверхности воды, чтобы они не уплывали. Другие заставляют шарики вращаться вокруг своих центров и двигаться точно по круговой или спиральной траектории внутри паттернов.

В отличие от обычных волн, эти паттерны остаются стабильными даже при воздействии незначительных внешних волн.

Эта техника использует реальные физические законы для управления и формирования водных волн, но эффект напоминает действие невидимой силы, перемещающей объекты, как это часто изображается в популярных шоу и книгах.

Прорыв, опубликованный в научном журнале Nature 5 февраля 2025 года, открывает новые возможности для использования водных волн.

Например, эту технику можно развить для сбора разлитых жидкостей и химикатов, плавающих на воде, чтобы облегчить их уборку. Метод также можно масштабировать для управления более крупными плавающими объектами и, возможно, судами, направляя их по заданному пути на воде, даже если у них нет работающих двигателей.

"Наши открытия — это первый шаг в изучении того, как водные волны можно формировать для перемещения объектов, с множеством потенциальных применений в будущем", — сказал доцент Шэнь Ицзе, один из руководителей исследования из Школы физических и математических наук и Школы электротехники и электроники NTU Singapore.

"Мы показали, что водные волны можно использовать для точного перемещения плавающих объектов размером с рисовое зерно. В будущих исследованиях можно будет изучить еще более мелкие волны, например, на уровне клеток, которые в сотни раз меньше, а также гораздо более крупные морские волны, которые в тысячу раз больше", — добавил он.

Уроки света

Техника формирования водных волн была разработана в результате междисциплинарных усилий, вдохновленных предыдущей работой доцента Шэня — использованием световых волн для создания сложных структур или паттернов света.

Его команда ранее показала, что небольшие помехи не разрушают эти световые паттерны и могут удерживать в них крошечные частицы, такие как дрожжевые клетки и наночастицы металла. Регулируя световые волны, можно было также перемещать частицы, застрявшие в них, как будто под действием невидимой силы.

В ходе своих исследований доцент Шэнь понял, что, поскольку вода и свет могут двигаться как волны, то, что его команда смогла сделать со световыми волнами, может быть возможно и с водными волнами.

Он решил сотрудничать с исследователями, изучающими световые волны, как и он сам, и с теми, кто работает с водными волнами, чтобы доказать свою теорию. Его самой большой проблемой было убедить их, так как исследователи с обеих сторон ранее не рассматривали его идеи.

В конечном итоге доцент Шэнь убедил своих коллег из Китая и Испании, и международная исследовательская группа подтвердила его гипотезу с помощью экспериментов.

Команда сначала провела компьютерное моделирование, а затем лабораторные эксперименты в водном резервуаре, где они создавали волны с помощью различных 3D-печатных пластиковых структур, частично погруженных в воду.

Например, одна из этих пластиковых структур представляла собой кольцо, соединенное с 24 трубками, расположенными вокруг него. Трубки были подключены к динамикам, которые издавали низкочастотные звуки, вызывающие рябь на поверхности воды внутри кольца.

Ученые поместили небольшой плавающий шарик из полиэтиленовой пены в водный резервуар и наблюдали, как шарик двигался при появлении волн. Каждый раз тестировались шарики диаметром от 4,8 мм до 12,7 мм. Исследователи также протестировали шарик для пинг-понга диаметром 40 мм.

Регулируя амплитуду и частоту водных волн и изменяя, движутся ли некоторые волны синхронно с другими, исследователи заставляли волны интерферировать, перекрываться и объединяться, создавая сложные паттерны на поверхности воды.

Эти паттерны захватывали плавающий шарик, удерживая его почти неподвижно или заставляя вращаться и двигаться точно по круговой или спиральной траектории в пределах паттернов, отклоняясь от пути не более чем на 2-4 мм.

"Если у нас есть плавающий объект, удерживаемый в водных паттернах, мы также можем настроить волны, чтобы перемещать паттерны и объекты, застрявшие в них. Это может дать нам способ перемещать эти объекты в определенные точки на водной поверхности", — сказал доцент Шэнь, ссылаясь на аналогичные наблюдения для световых волн.

Огромный потенциал

Его команда планирует в дальнейшем установить, можно ли создавать водные паттерны под водой, а не только на поверхности, чтобы перемещать погруженные объекты.

Ученые также намерены масштабировать технику водных волн до микрометрового уровня, чтобы изучить, можно ли использовать водные паттерны на поверхности как пинцет для точного перемещения клеток и части

Дополнительная информация

• Как именно создаются сложные паттерны водных волн в лабораторных условиях? - В лабораториях паттерны создаются с помощью генераторов волн, которые точно контролируют частоту, амплитуду и направление волн. Это позволяет изучать их взаимодействие и формирование сложных структур.
• Какие физические законы лежат в основе формирования стабильных водных паттернов? - Основные законы включают интерференцию волн (наложение волн), резонанс (усиление волн при совпадении частот) и диссипацию энергии (потери энергии из-за трения).
• Какие практические применения могут быть у этой технологии в экологических целях, помимо сбора разлитых жидкостей? - Технология может использоваться для управления течениями в водоемах, предотвращения эрозии берегов и очистки воды от загрязнений.
• Какие технические сложности могут возникнуть при масштабировании метода для управления крупными объектами, такими как суда? - Основные сложности включают необходимость больших энергозатрат, сложность управления волнами в открытой воде и обеспечение стабильности системы.
• Как работа со световыми волнами вдохновила исследователей на изучение водных волн? - Световые волны демонстрируют схожие явления, такие как интерференция и дифракция, что позволило исследователям перенести эти принципы на водные волны.
• Какие потенциальные применения могут быть у этой технологии на микрометровом уровне, например, в биологии или медицине? - На микрометровом уровне технология может использоваться для манипуляции клетками, доставки лекарств и создания микроскопических устройств для диагностики.

Полная версия:: Technique to manipulate water waves to precisely control floating objects

Ученые открыли новую молекулу тяжелого металла — «беркелоцен».

Исследовательская группа под руководством Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США обнаружила «беркелоцен» — первую органо-металлическую молекулу, содержащую тяжелый элемент берклий, которая была полностью охарактеризована.

Органо-металлические молекулы, состоящие из иона металла, окруженного углеродной структурой, относительно распространены для ранних актиноидов, таких как уран (атомный номер 92), но они практически неизвестны для более поздних актиноидов, таких как берклий (атомный номер 97).

«Впервые получены доказательства образования химической связи между берклием и углеродом. Это открытие дает новое понимание того, как берклий и другие актиноиды ведут себя по сравнению с их аналогами в периодической таблице», — сказал Стефан Минасян, ученый из отдела химических наук Berkeley Lab и один из четырех соавторов нового исследования, опубликованного в журнале Science.

Молекула тяжелого металла с корнями в Беркли

Берклий — один из 15 актиноидов в f-блоке периодической таблицы. Над актиноидами находится ряд лантаноидов.

Пионер ядерной химии Гленн Сиборг открыл берклий в лаборатории Berkeley Lab в 1949 году. Это стало лишь одним из многих достижений, которые привели к присуждению ему Нобелевской премии по химии в 1951 году вместе с ученым Berkeley Lab Эдвином Макмилланом за их открытия в химии трансурановых элементов.

На протяжении многих лет группа по химии тяжелых элементов в отделе химических наук Berkeley Lab занималась созданием органо-металлических соединений актиноидов, поскольку эти молекулы обычно обладают высокой симметрией и образуют множественные ковалентные связи с углеродом, что делает их полезными для изучения уникальных электронных структур актиноидов.

«Когда ученые изучают структуры с высокой симметрией, это помогает им понять основную логику, которую природа использует для организации материи на атомном уровне», — сказал Минасян.

Однако изучать берклий непросто, так как он обладает высокой радиоактивностью. Кроме того, ежегодно в мире производится лишь очень небольшое количество этого синтетического тяжелого элемента. Дополнительную сложность создает то, что органо-металлические молекулы крайне чувствительны к воздуху и могут быть пирофорными.

«Лишь несколько учреждений в мире могут защитить как соединение, так и работника, одновременно управляя комбинированными опасностями высокорадиоактивного материала, который активно реагирует с кислородом и влагой в воздухе», — сказала Полли Арнольд, соавтор статьи, профессор химии Калифорнийского университета в Беркли и директор отдела химических наук Berkeley Lab.

Преодоление барьера берклия

Минасян, Арнольд и соавтор Ребекка Абержель, доцент ядерной инженерии и химии Калифорнийского университета в Беркли, возглавляющая группу по химии тяжелых элементов в Berkeley Lab, собрали команду для преодоления этих препятствий.

В Лаборатории исследований тяжелых элементов Berkeley Lab команда разработала новые перчаточные боксы, позволяющие проводить синтезы без доступа воздуха с использованием высокорадиоактивных изотопов. Затем, используя всего 0,3 миллиграмма берклия-249, исследователи провели эксперименты по рентгеновской дифракции на монокристаллах. Изотоп, полученный командой, был первоначально распределен Национальным центром разработки изотопов, которым управляет программа DOE Isotope Program в Национальной лаборатории Ок-Ридж.

Результаты показали симметричную структуру, в которой атом берклия находится между двумя 8-членными углеродными кольцами. Исследователи назвали молекулу «беркелоцен», поскольку ее структура аналогична органо-металлическому комплексу урана под названием «ураноцен». (Химики Калифорнийского университета в Беркли Эндрю Штрайтвайзер и Кеннет Раймонд открыли ураноцен в конце 1960-х годов.)

В неожиданном открытии расчеты электронной структуры, выполненные соавтором Йохеном Аутшбахом из Университета Буффало, показали, что атом берклия в центре структуры беркелоцена имеет тетравалентное состояние окисления (положительный заряд +4), которое стабилизируется связями берклий-углерод.

«Традиционное понимание периодической таблицы предполагает, что берклий будет вести себя как лантаноид тербий», — сказал Минасян.

«Но ион берклия гораздо более стабилен в состоянии окисления +4, чем другие ионы f-блока, с которыми мы ожидали его сходства», — добавила Арнольд.

Исследователи утверждают, что для решения проблем, связанных с долгосрочным хранением и очисткой ядерных отходов, необходимы более точные модели, показывающие, как меняется поведение актиноидов в периодической таблице.

«Этот более четкий портрет поздних актиноидов, таких как берклий, открывает новую перспективу на поведение этих удивительных элементов», — сказала Абержель.

Работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики США.

Дополнительная информация

• Какие еще органо-металлические молекулы актиноидов известны, кроме ураноцена и беркелоцена? - Помимо ураноцена и беркелоцена, известны ториоцен, плутоноцен и нептуноцен.
• Какие методы, кроме рентгеновской дифракции, используются для изучения структуры тяжелых элементов? - Используются спектроскопия ЯМР, масс-спектрометрия и электронная микроскопия.
• Почему берклий сравнивают с лантаноидами, и в чем их сходства и различия? - Берклий сравнивают с лантаноидами из-за схожих электронных конфигураций, но актиноиды имеют более сложную химию из-за участия f-электронов.
• Какие практические применения могут иметь исследования беркелоцена и других актиноидов? - Исследования могут быть полезны в ядерной энергетике, медицине и материаловедении.
• Какие еще элементы в f-блоке периодической таблицы имеют тетравалентное состояние окисления? - Тетравалентное состояние характерно для урана, плутония и нептуния.
• Какие меры безопасности необходимы для работы с высокорадиоактивными материалами, такими как берклий? - Необходимы защитные костюмы, перчатки, очки, герметичные боксы и соблюдение норм радиационной защиты.

Полная версия:: Scientists discover new heavy-metal molecule 'berkelocene'

Раскрытие происхождения чрезвычайно ярких квантовых излучателей.

Многие устройства следующего поколения в области квантовых технологий основаны на однофотонных излучателях, использующих оптически активные дефекты в твердых телах, известные как цветовые центры. Понимание их свойств является фундаментальным для разработки новых квантовых технологий.

Теперь в исследовании, опубликованном в журнале APL Materials, многопрофильная исследовательская группа под руководством Университета Осаки попыталась прояснить происхождение чрезвычайно ярких цветовых центров на границе раздела между диоксидом кремния (SiO₂) и карбидом кремния (SiC).

Предыдущие исследования продемонстрировали ряд факторов, которые могут играть роль в формировании этих цветовых центров на границе раздела, включая эффект отжига после окисления.

Однако структура энергетических уровней (то есть электронные переходы, происходящие в процессе), ответственная за люминесценцию, — ключевой фактор для понимания происхождения цветовых центров, — оставалась полностью неизвестной.

«Происхождение цветовых центров на границе раздела SiO₂/SiC долгое время оставалось нерешенной научной проблемой, и его открытие может ускорить развитие масштабируемых квантовых технологий», — объясняет Кентаро Ониши, ведущий автор исследования.

В этой работе исследователям удалось определить энергетические уровни цветовых центров на границе раздела SiO₂/SiC.

Эти конкретные цветовые центры формируются в результате окисления подложки из SiC.

Энергетические уровни образуются в запрещенной зоне полупроводника благодаря дефектам, которые захватывают электроны, известным как электронные ловушки.

Условия окисления во время изготовления, включая температуру и парциальное давление, как предполагалось, влияют на плотность цветовых центров и электронных ловушек на границе раздела, но данная работа представляет собой первое детальное исследование влияния этих условий в широком диапазоне.

Исследователи обнаружили четкую корреляцию между люминесценцией цветовых центров и плотностью электронных ловушек, установив их общее происхождение.

Цветовые центры были связаны с определенным энергетическим уровнем (от 0,65 до 0,92 эВ от края зоны проводимости SiC), и после сравнения экспериментальных результатов с теоретическими исследованиями ученые предложили конкретный дефект, связанный с углеродом, в качестве наиболее вероятного кандидата для цветовых центров.

«Наши результаты вдохновляют, потому что мы наконец начинаем понимать, как формируются эти цветовые центры на границе раздела и как работает их люминесценция», — говорит Такума Кобаяси, старший автор исследования.

«По мере углубления нашего понимания растет надежда на реализацию квантовых технологий с использованием цветовых центров на границе раздела. Поскольку эти цветовые центры лежат в основе металл-оксид-полупроводниковых устройств, их высокая совместимость с развивающимися технологиями крупномасштабной интеграции должна открыть путь для масштабируемых квантовых приложений».

Поскольку квантовые технологии зависят от точного управления цветовыми центрами, это исследование представляет собой шаг к возможности создания таких устройств в будущем.

Дополнительная информация

• Как именно условия окисления (температура и парциальное давление) влияют на плотность цветовых центров? - Высокая температура и повышенное парциальное давление кислорода могут увеличивать плотность цветовых центров, так как они способствуют образованию дефектов в кристаллической решетке, таких как вакансии или межузельные атомы.

• Какие конкретные дефекты, связанные с углеродом, могут быть ответственны за формирование цветовых центров? - Вакансии углерода, примеси углерода или комплексы углерод-вакансия могут быть ответственны за формирование цветовых центров, так как они изменяют локальную электронную структуру материала.

• Какие преимущества имеют цветовые центры на границе раздела SiO₂/SiC по сравнению с другими типами цветовых центров? - Цветовые центры на границе раздела SiO₂/SiC обладают повышенной стабильностью и могут быть более легко интегрированы в современные полупроводниковые технологии, что делает их перспективными для применения в квантовых устройствах.

• Как именно цветовые центры на границе раздела SiO₂/SiC могут быть интегрированы в металл-оксид-полупроводниковые устройства? - Цветовые центры могут быть интегрированы в металл-оксид-полупроводниковые устройства путем создания контролируемых дефектов на границе раздела, что позволяет использовать их для улучшения характеристик устройств, таких как чувствительность или квантовая связь.

Полная версия:: Unraveling the origin of extremely bright quantum emitters

Инженеры превращают клетки кожи напрямую в нейроны для клеточной терапии.

Преобразование одного типа клеток в другой — например, клетки кожи в нейрон — может быть выполнено с помощью процесса, который требует индуцирования клетки кожи в "плюрипотентную" стволовую клетку, а затем её дифференцировки в нейрон. Исследователи из MIT разработали упрощённый процесс, который обходит стадию стволовой клетки, превращая клетку кожи напрямую в нейрон.

Работая с клетками мышей, исследователи разработали метод преобразования, который является высокоэффективным и позволяет получить более 10 нейронов из одной клетки кожи.

Если этот подход будет воспроизведён на человеческих клетках, он может позволить генерировать большое количество моторных нейронов, которые потенциально могут быть использованы для лечения пациентов с травмами спинного мозга или заболеваниями, нарушающими подвижность.

"Мы смогли добиться таких результатов, что теперь можем задаться вопросом, могут ли эти клетки быть жизнеспособными кандидатами для клеточной заместительной терапии, на что мы надеемся. Именно туда могут привести нас такие технологии перепрограммирования", — говорит Кэти Гэллоуэй, профессор биомедицинской инженерии и химической инженерии W. M. Keck.

В качестве первого шага к разработке этих клеток для терапии исследователи показали, что могут генерировать моторные нейроны и имплантировать их в мозг мышей, где они интегрируются с тканями хозяина.

Гэллоуэй является старшим автором двух статей, описывающих новый метод, которые опубликованы сегодня в журнале Cell Systems. Аспирант MIT Нейтан Ван является ведущим автором обеих статей.

От кожи к нейронам

Почти 20 лет назад учёные из Японии показали, что, доставляя четыре транскрипционных фактора в клетки кожи, они могут заставить их превратиться в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSCs). Подобно эмбриональным стволовым клеткам, iPSCs могут дифференцироваться во многие другие типы клеток.

Эта техника работает хорошо, но занимает несколько недель, и многие клетки не полностью переходят в зрелые типы клеток.

"Часто одной из проблем в перепрограммировании является то, что клетки могут застревать в промежуточных состояниях", — говорит Гэллоуэй.

"Поэтому мы используем прямое преобразование, где вместо прохождения через промежуточную стадию iPSC мы идём напрямую от соматической клетки к моторному нейрону".

Исследовательская группа Гэллоуэй и другие уже демонстрировали такой тип прямого преобразования, но с очень низкой эффективностью — менее 1 процента.

В предыдущей работе Гэллоуэй использовала комбинацию из шести транскрипционных факторов плюс два других белка, стимулирующих пролиферацию клеток.

Каждый из этих восьми генов доставлялся с использованием отдельного вирусного вектора, что затрудняло обеспечение правильного уровня экспрессии каждого гена в каждой клетке.

В первой из новых статей в Cell Systems Гэллоуэй и её студенты сообщили о способе упрощения процесса, чтобы клетки кожи могли быть преобразованы в моторные нейроны с использованием всего трёх транскрипционных факторов, плюс двух генов, которые переводят клетки в состояние высокой пролиферации.

Используя клетки мышей, исследователи начали с исходных шести транскрипционных факторов и экспериментировали с их исключением по одному, пока не достигли комбинации из трёх — NGN2, ISL1 и LHX3 — которые могли успешно завершить преобразование в нейроны.

Как только количество генов сократилось до трёх, исследователи смогли использовать один модифицированный вирус для доставки всех трёх, что позволило им обеспечить правильный уровень экспрессии каждого гена в каждой клетке.

С помощью отдельного вируса исследователи также доставили гены, кодирующие p53DD и мутированную версию HRAS.

Эти гены заставляют клетки кожи делиться много раз перед тем, как они начнут превращаться в нейроны, что позволяет получить гораздо более высокий выход нейронов — около 1100 процентов.

"Если бы вы экспрессировали транскрипционные факторы на очень высоких уровнях в непролиферирующих клетках, скорость перепрограммирования была бы очень низкой, но гиперпролиферирующие клетки более восприимчивы. Это как будто они подготовлены к преобразованию, и затем они становятся гораздо более восприимчивыми к уровням транскрипционных факторов", — говорит Гэллоуэй.

Исследователи также разработали немного другую комбинацию транскрипционных факторов, которая позволила им выполнить то же прямое преобразование с использованием человеческих клеток, но с более низкой эффективностью — от 10 до 30 процентов, по оценкам исследователей.

Этот процесс занимает около пяти недель, что немного быстрее, чем преобразование клеток сначала в iPSC, а затем в нейроны.

Имплантация клеток

Как только исследователи определили оптимальную комбинацию генов для доставки, они начали работать над лучшими способами их доставки, что стало фокусом второй статьи в Cell Systems.

Они опробовали три разных вируса для доставки и обнаружили, что ретровирус обеспечивает наиболее эффективную скорость преобразования.

Снижение плотности клеток, выращенных в чашке, также помогло улучшить общий выход моторных нейронов.

Этот оптимизированный процесс, который занимает около двух недель в клетках мышей, позволил достичь выхода более 1000 процентов.

Работая с коллегами из Бостонского университета, исследователи затем проверили, могут ли эти моторные нейроны быть успешно имплантированы в мышей.

Они доставили клетки в часть мозга, известную как стриатум

Дополнительная информация

• Каковы конкретные роли транскрипционных факторов NGN2, ISL1 и LHX3 в развитии нейронов? - NGN2 активирует гены для дифференцировки нейронов, ISL1 важен для моторных нейронов, а LHX3 специфицирует подтипы нейронов в спинном мозге.
• Как вирусные векторы, такие как ретровирусы, облегчают доставку генов в клетки? - Ретровирусы интегрируют свой генетический материал в ДНК клетки, что позволяет долгосрочную экспрессию генов.
• Каковы трудности в достижении высокой эффективности преобразования человеческих клеток по сравнению с клетками мышей? - Человеческие клетки имеют более сложные механизмы регуляции и устойчивы к изменениям.
• Каково значение стриатума в мозге и почему он был выбран для имплантации нейронов? - Стриатум регулирует движения и мотивацию, что делает его важной мишенью для имплантации.
• Как гены p53DD и мутированный HRAS способствуют пролиферации клеток перед преобразованием? - p53DD подавляет апоптоз, а мутированный HRAS стимулирует пролиферацию клеток.
• Каковы потенциальные риски или этические проблемы, связанные с использованием вирусных векторов для доставки генов у людей? - Риски включают неконтролируемую интеграцию вирусного генома, что может привести к мутациям или раку.
• Как эффективность прямого преобразования сравнивается с традиционным методом iPSC с точки зрения времени и затрат ресурсов? - Прямое преобразование быстрее и требует меньше ресурсов, но iPSC более универсален.

Полная версия:: Engineers turn skin cells directly into neurons for cell therapy

"Микромолнии" в каплях воды могли стать искрой жизни на Земле.

Жизнь, возможно, началась не с мощного удара молнии в океан, а благодаря множеству небольших "микромолний", возникающих между каплями воды в водопадах или при разбивании волн.

Новое исследование Стэнфордского университета показывает, что распыление воды в смесь газов, которые, как считается, присутствовали в ранней атмосфере Земли, может привести к образованию органических молекул с углеродно-азотными связями, включая урацил — один из компонентов ДНК и РНК.

Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, добавляет доказательства и новый взгляд на спорную гипотезу Миллера-Юри, которая утверждает, что жизнь на планете началась с удара молнии. Эта теория основана на эксперименте 1952 года, показавшем, что органические соединения могут образовываться при воздействии электричества на смесь воды и неорганических газов.

В текущем исследовании ученые обнаружили, что распыление воды, которое создает небольшие электрические заряды, может выполнять эту работу самостоятельно, без дополнительного электричества.

"Микроэлектрические разряды между противоположно заряженными микрокаплями воды создают все органические молекулы, которые ранее наблюдались в эксперименте Миллера-Юри, и мы предполагаем, что это новый механизм пребиотического синтеза молекул, составляющих строительные блоки жизни", — сказал старший автор исследования Ричард Зар, профессор естественных наук и химии в Школе гуманитарных и естественных наук Стэнфорда.

Сила и потенциал микромолний

В течение нескольких миллиардов лет после своего образования Земля, как считается, имела смесь химических веществ, но почти не содержала органических молекул с углеродно-азотными связями, которые необходимы для белков, ферментов, нуклеиновых кислот, хлорофилла и других соединений, составляющих живые организмы сегодня.

Как эти биологические компоненты появились, долгое время оставалось загадкой для ученых, и эксперимент Миллера-Юри предложил одно из возможных объяснений: молнии, ударяющие в океан и взаимодействующие с газами ранней планеты, такими как метан, аммиак и водород, могли создавать эти органические молекулы. Критики этой теории указывали, что молнии слишком редки, а океан слишком велик и рассеян, чтобы это могло быть реалистичной причиной.

Зар вместе с постдоками Ифань Мэн и Юй Ся, а также аспирантом Цзиньхэн Сюй предлагают в этом исследовании другую возможность. Команда сначала изучила, как капли воды приобретают разные заряды при распылении или разбрызгивании. Они обнаружили, что более крупные капли часто несут положительный заряд, а более мелкие — отрицательный. Когда противоположно заряженные капли сближались, между ними возникали искры. Зар называет это "микромолниями", поскольку процесс связан с тем, как энергия накапливается и разряжается в виде молний в облаках. Исследователи использовали высокоскоростные камеры, чтобы зафиксировать вспышки света, которые трудно увидеть невооруженным глазом.

Хотя крошечные вспышки микромолний могут быть незаметны, они несут в себе много энергии. Исследователи продемонстрировали эту силу, распыляя воду комнатной температуры в смесь газов, содержащих азот, метан, углекислый газ и аммиак, которые, как считается, присутствовали на ранней Земле. Это привело к образованию органических молекул с углеродно-азотными связями, включая цианистый водород, аминокислоту глицин и урацил.

Исследователи утверждают, что эти результаты указывают на то, что не обязательно удары молний, а крошечные искры, возникающие при разбивании волн или водопадов, могли стать началом жизни на этой планете.

"На ранней Земле распыление воды происходило повсюду — в трещинах или при ударе о камни, и оно могло накапливаться и создавать эту химическую реакцию", — сказал Зар. "Я думаю, что это преодолевает многие проблемы, которые люди видят в гипотезе Миллера-Юри".

Исследовательская группа Зара сосредоточена на изучении потенциальной силы небольших объемов воды, включая то, как водяной пар может способствовать производству аммиака, ключевого компонента удобрений, и как капли воды спонтанно производят перекись водорода.

"Мы обычно считаем воду такой безобидной, но когда она разделена в виде маленьких капель, вода становится высокореактивной", — сказал он.

Благодарности

Зар также является членом Stanford Bio-X, Cardiovascular Institute, Stanford Cancer Institute и Wu Tsai Neurosciences Institute, а также аффилированным исследователем Stanford Woods Institute for the Environment.

Это исследование получило поддержку от Управления научных исследований ВВС США и Национального фонда естественных наук Китая.

Дополнительная информация

• Как именно капли воды приобретают разные заряды при распылении? - При распылении капли воды могут терять или приобретать электроны из-за трения или контакта с другими поверхностями, что приводит к их заряду.
• Какие еще органические молекулы, кроме урацила, могут образовываться в результате микромолний? - В результате электрических разрядов могут образовываться аминокислоты, сахара и другие простые органические молекулы.
• Какова роль урацила в структуре РНК и ДНК? - Урацил является одним из четырех нуклеотидов в РНК, где он заменяет тимин, присутствующий в ДНК, и участвует в кодировании генетической информации.
• Какие газы, помимо метана и аммиака, могли присутствовать в ранней атмосфере Земли? - В ранней атмосфере Земли могли присутствовать водород, углекислый газ, водяной пар и азот.
• Как водяной пар может способствовать производству аммиака? - Водяной пар может участвовать в химических реакциях, таких как гидролиз нитридов, что приводит к образованию аммиака.
• Какие эксперименты, кроме Миллера-Юри, изучали происхождение жизни на Земле? - Эксперименты Сидни Фокса с тепловыми полимерами и исследования Джона Орó по синтезу органических молекул также изучали происхождение жизни.

Полная версия:: 'Microlightning' in water droplets may have sparked life on Earth

Современные системы ИИ испытывают трудности с чтением часов и календарей.

Исследование показывает, что некоторые из самых передовых систем искусственного интеллекта (ИИ) в мире испытывают трудности с определением времени и дат на календарях.

Хотя модели ИИ могут выполнять сложные задачи, такие как написание эссе и создание произведений искусства, они еще не освоили некоторые навыки, которые люди выполняют с легкостью, говорят исследователи.

Команда из Эдинбургского университета продемонстрировала, что современные модели ИИ не способны надежно интерпретировать положение стрелок на часах или правильно отвечать на вопросы о датах в календарях.

В отличие от простого распознавания форм, понимание аналоговых часов и календарей требует сочетания пространственного восприятия, контекста и базовой математики – что остается сложной задачей для ИИ, отмечает команда.

Преодоление этих трудностей может позволить системам ИИ управлять приложениями, чувствительными ко времени, такими как помощники по планированию, автономные роботы и инструменты для людей с нарушениями зрения, говорят исследователи.

Команда проверила, могут ли системы ИИ, обрабатывающие текст и изображения – известные как мультимодальные большие языковые модели (MLLMs) – отвечать на вопросы, связанные со временем, глядя на изображение часов или календаря.

Исследователи протестировали различные дизайны часов, включая часы с римскими цифрами, с секундной стрелкой и без нее, а также с циферблатами разных цветов.

Их результаты показывают, что системы ИИ в лучшем случае правильно определяли положение стрелок менее чем в четверти случаев.

Ошибки были более распространены, когда на часах использовались римские цифры или стилизованные стрелки.

Системы ИИ также не показали лучших результатов, когда секундная стрелка была удалена, что указывает на глубокие проблемы с обнаружением стрелок и интерпретацией углов, отмечает команда.

Исследователи попросили модели ИИ ответить на ряд вопросов, связанных с календарем, таких как определение праздников и расчет прошлых и будущих дат.

Команда обнаружила, что даже лучшая модель ИИ ошибалась в расчетах дат в одной пятой случаев.

Результаты исследования представлены в рецензируемой статье, которая будет представлена на семинаре "Рассуждение и планирование для больших языковых моделей" на Тринадцатой международной конференции по представлениям обучения (ICLR) в Сингапуре 28 апреля 2025 года.

Рохит Саксена из Школы информатики Эдинбургского университета, возглавлявший исследование, сказал: "Большинство людей могут определять время и пользоваться календарями с раннего возраста. Наши результаты подчеркивают значительный пробел в способности ИИ выполнять то, что для людей является довольно базовыми навыками. Эти недостатки должны быть устранены, если системы ИИ будут успешно интегрированы в приложения, чувствительные ко времени, такие как планирование, автоматизация и вспомогательные технологии".

Арьо Джема, также из Школы информатики, добавил: "Сегодня исследования ИИ часто сосредоточены на сложных задачах рассуждения, но, как ни парадоксально, многие системы все еще испытывают трудности с более простыми, повседневными задачами. Наши результаты показывают, что пора устранить эти фундаментальные пробелы. В противном случае интеграция ИИ в реальные, чувствительные ко времени приложения может остаться на последнем часу".

Дополнительная информация

• Какие конкретные трудности испытывают системы ИИ при интерпретации римских цифр на часах? - Римские цифры могут быть сложны для ИИ из-за их нестандартного формата (например, IV вместо 4) и отсутствия явной связи с арабскими цифрами, что требует дополнительного обучения для корректной интерпретации.
• Чем мультимодальные большие языковые модели (MLLMs) отличаются от других моделей ИИ в выполнении задач, связанных со временем? - MLLMs способны обрабатывать и объединять данные из разных источников (текст, изображения, звук), что делает их более эффективными в задачах, требующих понимания контекста, таких как чтение времени с циферблата или интерпретация календарей.
• Какие реальные приложения требуют от ИИ умения читать часы и календари? - Примеры включают умные ассистенты (например, Siri, Alexa), системы автоматического распознавания документов, планировщики задач и приложения для управления временем.
• Каковы последствия плохой работы ИИ в задачах, связанных со временем, для будущего развития искусственного интеллекта? - Ошибки в таких задачах могут привести к снижению доверия пользователей, ограничению функциональности ИИ-систем и замедлению внедрения технологий в повседневную жизнь.

Полная версия:: Most current AI struggles to read clocks and calendars

Вращающийся, закрученный свет может стать основой для электроники следующего поколения.

Исследователи продвинулись в решении многолетней задачи в области органических полупроводников, открывая новые возможности для будущего электроники.

Ученые под руководством Кембриджского университета и Технологического университета Эйндховена создали органический полупроводник, который заставляет электроны двигаться по спирали. Это может повысить эффективность OLED-дисплеев в телевизорах и экранах смартфонов или стать основой для вычислительных технологий следующего поколения, таких как спинтроника и квантовые вычисления.

Разработанный ими полупроводник излучает циркулярно поляризованный свет, что означает, что свет несет информацию о "хиральности" (направлении вращения) электронов. Внутренняя структура большинства неорганических полупроводников, таких как кремний, симметрична, что означает, что электроны движутся через них без предпочтительного направления.

Однако в природе молекулы часто имеют хиральную (левую или правую) структуру: как человеческие руки, хиральные молекулы являются зеркальными отражениями друг друга. Хиральность играет важную роль в биологических процессах, таких как формирование ДНК, но это явление сложно использовать и контролировать в электронике.

Однако, используя молекулярные приемы, вдохновленные природой, исследователи смогли создать хиральный полупроводник, заставив стопки полупроводниковых молекул формировать упорядоченные правые или левые спиральные колонны. Их результаты опубликованы в журнале Science.

Одно из перспективных применений хиральных полупроводников — технологии дисплеев. Современные дисплеи часто теряют значительное количество энергии из-за способа фильтрации света экранами. Хиральный полупроводник, разработанный исследователями, естественным образом излучает свет таким образом, что может уменьшить эти потери, делая экраны ярче и энергоэффективнее.

"Когда я начал работать с органическими полупроводниками, многие сомневались в их потенциале, но теперь они доминируют в технологиях дисплеев", — сказал профессор сэр Ричард Френд из Кавендишской лаборатории Кембриджа, который руководил исследованием. "В отличие от жестких неорганических полупроводников, молекулярные материалы предлагают невероятную гибкость — позволяя нам создавать совершенно новые структуры, такие как хиральные светодиоды. Это как работать с набором Lego, где есть все возможные формы, а не только прямоугольные кирпичики."

Полупроводник основан на материале под названием триазатруксен (TAT), который самоорганизуется в спиральную стопку, позволяя электронам двигаться по спирали вдоль его структуры, как резьба винта.

"При возбуждении синим или ультрафиолетовым светом самоорганизованный TAT излучает яркий зеленый свет с сильной циркулярной поляризацией — эффект, который до сих пор было трудно достичь в полупроводниках", — сказал соавтор исследования Марко Прейсс из Технологического университета Эйндховена. "Структура TAT позволяет электронам эффективно двигаться, влияя на то, как излучается свет."

Модифицировав методы изготовления OLED, исследователи успешно интегрировали TAT в работающие циркулярно поляризованные OLED (CP-OLED). Эти устройства показали рекордную эффективность, яркость и уровень поляризации, став лучшими в своем роде.

"Мы фактически переработали стандартный рецепт изготовления OLED, как в наших смартфонах, что позволило нам зафиксировать хиральную структуру в стабильной, некристаллизующейся матрице", — сказал соавтор исследования Ритупарно Чоудхури из Кавендишской лаборатории Кембриджа. "Это предоставляет практический способ создания циркулярно поляризованных светодиодов, что долгое время оставалось недостижимым в этой области."

Эта работа является частью многолетнего сотрудничества между исследовательской группой Френда и группой профессора Берта Мейера из Технологического университета Эйндховена. "Это настоящий прорыв в создании хирального полупроводника", — сказал Мейер. "Тщательно спроектировав молекулярную структуру, мы связали хиральность структуры с движением электронов, и такого уровня достичь раньше не удавалось."

Хиральные полупроводники представляют собой шаг вперед в мире органических полупроводников, которые сейчас поддерживают индустрию стоимостью более 60 миллиардов долларов. Помимо дисплеев, это развитие также имеет значение для квантовых вычислений и спинтроники — области исследований, которая использует спин, или собственный угловой момент электронов, для хранения и обработки информации, что может привести к более быстрым и безопасным вычислительным системам.

Исследование частично поддержано Европейским союзом в рамках программы Marie Curie Training Network и Европейского исследовательского совета. Ричард Френд является членом колледжа Святого Иоанна в Кембридже. Ритупарно Чоудхури — член колледжа Фицуильяма в Кембридже.

Дополнительная информация

• Как хиральность влияет на эффективность OLED-дисплеев? - Хиральность позволяет контролировать поляризацию света, что повышает яркость и энергоэффективность OLED-дисплеев.
• Какие преимущества циркулярно поляризованного света перед обычным светом в дисплеях? - Циркулярно поляризованный свет уменьшает отражения и улучшает контрастность, что особенно полезно при ярком освещении.
• Как триазатруксен (TAT) самоорганизуется в спиральные структуры? - Самоорганизация TAT происходит благодаря его молекулярной геометрии и межмолекулярным взаимодействиям, что позволяет создавать материалы с уникальными свойствами.
• Какие перспективы у спинтроники в сравнении с традиционной электроникой? - Спинтроника предлагает более высокую скорость обработки данных и меньшие энергозатраты, что делает её перспективной заменой традиционной электронике.
• Какие еще проекты реализуются в рамках сотрудничества Кембриджа и Эйндховена? - Сотрудничество включает проекты в области нанотехнологий, энергетики и материаловедения.
• Какие еще исследования поддерживаются программой Marie Curie Training Network? - Программа поддерживает исследования в области науки, технологий и инноваций, включая междисциплинарные проекты.

Полная версия:: Spinning, twisted light could power next-generation electronics

Как мозг использует «строительные блоки» для навигации в социальных взаимодействиях.

Наш мозг использует базовые «строительные блоки» информации, чтобы отслеживать, как люди взаимодействуют, что позволяет нам ориентироваться в сложных социальных ситуациях, выяснило новое исследование, проведенное учеными из Университетского колледжа Лондона (UCL).

В исследовании, опубликованном в журнале Nature, ученые сканировали мозг участников, которые играли в простую игру с участием одного партнера и двух противников, чтобы понять, как их мозг отслеживает информацию о группе игроков.

Ученые обнаружили, что вместо того, чтобы отслеживать действия каждого отдельного игрока, определенные части мозга участников реагировали на конкретные модели взаимодействия или «строительные блоки» информации, которые можно комбинировать для понимания происходящего.

Ведущий автор исследования доктор Марко Виттманн (UCL Psychology & Language Sciences и Центр вычислительной психиатрии и исследований старения Макса Планка при UCL) сказал: «Люди — социальные существа, способные отслеживать чрезвычайно сложные и изменчивые социальные динамики, что требует огромных умственных усилий для запоминания не только отдельных людей, но и различных отношений между ними.

Чтобы успевать за групповым взаимодействием в реальном времени, наш мозг, вероятно, использует эвристики — ментальные сокращения, которые помогают людям быстро принимать решения, — чтобы сжимать и упрощать огромный объем информации, используя систему, которая минимизирует сложность, сохраняя при этом гибкость и детализацию.

В этом исследовании мы обнаружили, что наш мозг, похоже, использует набор базовых «строительных блоков», которые представляют фундаментальные аспекты социальных взаимодействий, позволяя нам быстро разбираться в новых и сложных социальных ситуациях».

Для исследования команда ученых из UCL и Оксфордского университета использовала функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ), чтобы записать активность мозга 88 участников, которые играли в простую игру.

Во время сканирования участникам исследования предоставляли информацию о том, как они, их партнер и противники справляются в игре, и им нужно было отслеживать эту информацию, чтобы ответить на вопрос, сравнивающий результаты разных игроков.

Доктор Виттманн объяснил: «Нам было интересно узнать, использует ли наш мозг «агент-центрированную» систему отсчета, где определенные части мозга отслеживают действия каждого игрока, или «последовательную» систему, которая отслеживает информацию в порядке ее поступления. Мы обнаружили, что люди делают и то, и другое, но наш мозг способен упрощать всю эту информацию в удобные для восприятия фрагменты».

Ученые смогли выявить конкретные паттерны активности мозга, которые представляли несколько специфических «строительных блоков», каждый из которых отражал модель взаимодействия между игроками.

Например, один из блоков хранил информацию о том, насколько хорошо участник и его партнер справлялись по сравнению с другой командой.

Большая разница в результатах между двумя командами соответствовала увеличению активности мозга, связанной с этим блоком.

Эти специфические паттерны активности были обнаружены в префронтальной коре, которая отвечает за принятие решений и социальное поведение.

Исследователи утверждают, что эти фундаментальные строительные блоки, вероятно, представляют модели взаимодействия, которые характерны для множества различных ситуаций.

Доктор Виттманн сказал: «По мере того как мы развиваем социальные навыки в жизни, наш мозг, вероятно, учится распознавать определенные модели взаимодействия, с которыми мы сталкиваемся снова и снова. Эти модели могут становиться «встроенными» в наш мозг в виде строительных блоков, которые комбинируются и перестраиваются для формирования нашего понимания любой социальной ситуации».

Дополнительная информация

• Какие еще области мозга, кроме префронтальной коры, могут быть задействованы в обработке социальной информации? - В обработке социальной информации также участвуют миндалевидное тело (отвечает за эмоции), височная доля (распознавание лиц и выражений), островковая доля (эмпатия) и поясная кора (конфликты и мотивация).
• Как эвристики влияют на принятие решений в других аспектах жизни, помимо социальных взаимодействий? - Эвристики упрощают принятие решений в ситуациях с неполной информацией, например, при выборе товаров, оценке рисков или планировании времени, но могут приводить к ошибкам, таким как предвзятость или стереотипы.
• Какие еще методы, кроме фМРТ, используются для изучения активности мозга в социальных контекстах? - Для изучения активности мозга также используются ЭЭГ (электроэнцефалография), МЭГ (магнитоэнцефалография), ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография) и транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС).
• Как мозг обучается распознавать и комбинировать "строительные блоки" в процессе развития социальных навыков? - Мозг обучается через нейропластичность, формируя новые нейронные связи на основе опыта, наблюдения за другими и обратной связи. Это включает распознавание эмоций, понимание намерений и адаптацию к социальным нормам.

Полная версия:: How the brain uses 'building blocks' to navigate social interactions

Загрязнение воздуха в Дели оказалось хуже, чем ожидалось, из-за влияния водяного пара на показатели.

Загрязнение воздуха в Нью-Дели более серьезное, чем предполагалось ранее, поскольку частицы поглощают атмосферный водяной пар, что приводит к недооценке уровня взвешенных частиц в городе на величину до 20%, как показало новое исследование.

Гигроскопический рост вызывает увеличение мелкодисперсных частиц (PM1), что снижает эффективность устройств для отбора проб и приводит к недооценке. Наибольшая недооценка концентраций наблюдается в утренние часы пик зимой, когда влажность наиболее высока, а уровень загрязнения достигает максимума.

В отличие от этого, в сезон муссонов отклонения минимальны из-за вымывания гигроскопических частиц сильными дождями. Однако в периоды высокого уровня загрязнения отклонения становятся более выраженными, а недооценка увеличивается экспоненциально с ростом влажности.

Опубликовав результаты сегодня (12 марта) в журнале NPJ Clean Air, автор исследования доктор Ин Чен из Университета Бирмингема приходит к выводу, что загрязнение PM1 в городе хуже, чем считалось ранее, но предлагает инструменты для корректировки, которые помогут в будущих исследованиях более точно оценивать уровень взвешенных частиц.

Доктор Чен прокомментировал: "Это исследование подчеркивает истинные масштабы загрязнения воздуха в Нью-Дели и предлагает основу для более точных оценок в будущем, что позволит лучше информировать стратегии общественного здравоохранения и меры по снижению загрязнения. При проведении оценки качества воздуха крайне важно учитывать гигроскопический рост и возможность значительной недооценки уровня загрязнения в условиях высокой влажности".

Недооценка из-за гигроскопического роста особенно значительна в Нью-Дели из-за высокого содержания воды в аэрозольных частицах, которые могут содержать до 740 мкг/м³ воды, что является самым высоким показателем среди мегаполисов по всему миру.

Исследование предполагает, что контроль выбросов от сжигания биомассы и бытовых источников, которые выделяют высокогигроскопичные соединения хлора, может эффективно улучшить качество воздуха и снизить эту погрешность, а также улучшить понимание ситуации с загрязнением. Доктор Чен призывает к проведению большего количества натурных наблюдений за PM2.5 и PM10 для получения более полного понимания проблемы загрязнения воздуха в Нью-Дели.

В исследовании выделены несколько сезонных вариаций:

Зима (декабрь-январь): Наиболее значительная недооценка (до 20%) происходит в утренние часы пик (8-9 утра) из-за высокой влажности (90%) и тонкого планетарного пограничного слоя — нижней части атмосферы, где поверхность Земли влияет на ветер, температуру и влажность.

Весна (февраль-март): Второе по величине отклонение наблюдается в утренние часы пик при средней относительной влажности (RH) 80%, что приводит к недооценке на 8,6%.

Муссоны (июль-сентябрь): Несмотря на высокую влажность (85%), отклонения минимальны из-за вымывания гигроскопических частиц частыми дождями.

Лето (апрель-июнь): Самый сухой сезон с RH от 28% до 50%, что приводит к незначительным отклонениям из-за ограниченного гигроскопического роста.

Нью-Дели признан самой загрязненной столицей мира, а серьезные проблемы с качеством воздуха угрожают здоровью 33 миллионов жителей. Взвешенные частицы являются основным загрязнителем, ответственным за примерно 10 000 преждевременных смертей ежегодно. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) сообщает, что уровень PM1 в Нью-Дели в 24 раза превышает рекомендуемые безопасные уровни, даже с учетом недооцененных наблюдений.

Дополнительная информация

• Как гигроскопический рост влияет на точность измерений загрязнения воздуха в других мегаполисах? - Гигроскопический рост может приводить к завышению измерений PM2.5 и PM1, так как частицы увеличиваются в размерах из-за влаги, что затрудняет точное определение их массы и концентрации.
• Какие меры принимаются в других странах для контроля выбросов от сжигания биомассы? - В некоторых странах, таких как Финляндия и Швеция, используются строгие стандарты выбросов, фильтры для улавливания частиц и поощрение использования более чистых источников энергии, таких как солнечная и ветровая.
• Как планетарный пограничный слой влияет на распределение загрязняющих веществ в атмосфере? - Планетарный пограничный слой способствует перемешиванию воздуха, что может как разбавлять концентрацию загрязняющих веществ, так и способствовать их накоплению в приземных слоях, особенно в условиях температурной инверсии.
• Какие технологии используются для более точного измерения PM1 и PM2.5 в условиях высокой влажности? - Для точного измерения в условиях высокой влажности используются технологии, такие как сушка образцов перед анализом, лазерные анализаторы с коррекцией влажности и системы, учитывающие гигроскопический рост частиц.
• Какие долгосрочные последствия для здоровья населения могут быть вызваны недооценкой уровня загрязнения воздуха? - Недооценка уровня загрязнения может привести к увеличению случаев хронических заболеваний, таких как астма, бронхит, сердечно-сосудистые заболевания и даже рак легких, особенно у уязвимых групп населения.

Полная версия:: Delhi air pollution worse than expected as water vapor skews figures

Признаки инопланетной жизни могут скрываться в этих газах.

Ученые определили новый перспективный способ обнаружения жизни на далеких планетах, основанный на изучении миров, которые совсем не похожи на Землю, и газов, которые редко рассматриваются в поисках внеземной жизни.

В новой статье, опубликованной в журнале Astrophysical Journal Letters, исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде описывают эти газы, которые могут быть обнаружены в атмосферах экзопланет — планет за пределами нашей Солнечной системы — с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST).

Эти газы, называемые метилгалогенидами, состоят из метильной группы, содержащей атом углерода и три атома водорода, соединенной с атомом галогена, такого как хлор или бром.

На Земле они в основном производятся бактериями, морскими водорослями, грибами и некоторыми растениями.

Одним из ключевых аспектов поиска метилгалогенидов является то, что экзопланеты, похожие на Землю, слишком малы и тусклы, чтобы их можно было увидеть с помощью JWST, самого большого телескопа, находящегося в настоящее время в космосе.

Вместо этого JWST должен будет нацелиться на более крупные экзопланеты, вращающиеся вокруг небольших красных звезд, с глубокими глобальными океанами и толстыми водородными атмосферами, называемыми Hycean-планетами.

Люди не смогли бы дышать или выжить на таких планетах, но определенные микробы могли бы процветать в подобных условиях.

"В отличие от планет, похожих на Землю, где атмосферные помехи и ограничения телескопа затрудняют обнаружение биосигнатур, Hycean-планеты предлагают гораздо более четкий сигнал", — сказал Эдди Швитерман, астробиолог из UCR и соавтор статьи.

Исследователи считают, что поиск метилгалогенидов на Hycean-планетах является оптимальной стратегией на данный момент.

"Кислород в настоящее время трудно или невозможно обнаружить на планете, похожей на Землю. Однако метилгалогениды на Hycean-планетах предлагают уникальную возможность для обнаружения с помощью существующих технологий", — сказала Майкла Леунг, планетолог из UCR и первый автор статьи.

Кроме того, обнаружение этих газов может быть проще, чем поиск других типов биосигнатурных газов, указывающих на жизнь.

"Одним из больших преимуществ поиска метилгалогенидов является то, что их можно потенциально обнаружить всего за 13 часов с помощью телескопа Джеймса Уэбба. Это сопоставимо или даже меньше, чем время, необходимое для обнаружения таких газов, как кислород или метан", — сказала Леунг.

"Меньше времени с телескопом означает, что это менее затратно".

Хотя на Земле живые организмы производят метилгалогениды, этот газ содержится в низких концентрациях в нашей атмосфере.

Поскольку Hycean-планеты имеют совершенно другой состав атмосферы и вращаются вокруг другого типа звезд, эти газы могут накапливаться в их атмосферах и быть обнаружены на расстоянии световых лет.

"Эти микробы, если мы их найдем, будут анаэробными. Они будут адаптированы к совершенно другому типу среды, и мы не можем представить, как это выглядит, за исключением того, что эти газы являются правдоподобным продуктом их метаболизма", — сказал Швитерман.

Исследование основывается на предыдущих работах, изучающих различные биосигнатурные газы, включая диметилсульфид, еще один потенциальный признак жизни.

Однако метилгалогениды кажутся особенно перспективными благодаря их сильным характеристикам поглощения в инфракрасном свете, а также их потенциалу для высокого накопления в атмосфере, доминируемой водородом.

Хотя телескоп Джеймса Уэбба в настоящее время является лучшим инструментом для этого поиска, будущие телескопы, такие как предложенная европейская миссия LIFE, могут сделать обнаружение этих газов еще проще.

Если LIFE будет запущена в 2040-х годах, как планируется, она сможет подтвердить наличие этих биосигнатур менее чем за день.

"Если мы начнем находить метилгалогениды на нескольких планетах, это будет свидетельствовать о том, что микробная жизнь распространена во Вселенной", — сказала Леунг.

"Это изменит наше понимание распределения жизни и процессов, ведущих к возникновению жизни".

В дальнейшем исследователи планируют расширить эту работу на другие типы планет и другие газы.

Например, они провели измерения газов, исходящих из Солтон-Си, которые, по-видимому, производят галогенированные газы, такие как хлороформ.

"Мы хотим получить измерения других веществ, производимых в экстремальных условиях на Земле, которые могут быть более распространены в других местах", — сказал Швитерман.

Даже несмотря на то, что исследователи расширяют границы обнаружения, они признают, что прямое взятие проб атмосфер экзопланет остается за пределами современных возможностей.

Однако достижения в технологии телескопов и исследованиях экзопланет могут однажды приблизить нас к ответу на один из самых важных вопросов человечества: одиноки ли мы?

"Люди не посетят экзопланету в ближайшее время", — сказал Швитерман. "Но знание того, где искать и что искать, может стать первым шагом в поиске жизни за пределами Земли".

Дополнительная информация

• Какие еще газы, кроме метилгалогенидов, могут служить биосигнатурами для поиска внеземной жизни? - Кислород, озон, метан, закись азота и сероводород также считаются потенциальными биосигнатурами.
• Какие особенности инфракрасного спектра делают метилгалогениды легко обнаруживаемыми? - Метилгалогениды имеют уникальные спектральные линии в инфракрасном диапазоне, которые позволяют их легко идентифицировать.
• Какие условия на Hycean-планетах делают их непригодными для жизни человека, но подходящими для микробов? - Высокое давление, экстремальные температуры и богатая водородом атмосфера делают эти планеты непригодными для человека, но подходящими для анаэробных микробов.
• Какие технологии, помимо JWST, могут быть использованы для обнаружения метилгалогенидов в будущем? - Будущие телескопы, такие как ARIEL (Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey) и наземные обсерватории с высокочувствительными спектрографами, могут быть использованы для обнаружения метилгалогенидов.
• Как анаэробные микробы производят метилгалогениды и какие условия необходимы для их выживания? - Анаэробные микробы производят метилгалогениды в процессе метаболизма, используя галогениды и органические соединения. Для их выживания необходимы бескислородные условия и наличие подходящих химических веществ.
• Какие экстремальные условия на Земле, такие как Солтон-Си, могут служить аналогами для изучения экзопланет? - Солтон-Си, с его высокой соленостью, экстремальными температурами и уникальной химией, служит аналогом для изучения потенциально обитаемых экзопланет с экстремальными условиями.

Полная версия:: Signs of alien life may be hiding in these gases

Космический телескоп James Webb раскрыл неожиданно сложную химию в древней галактике.

Астрономы из Университета Аризоны получили новые данные о неожиданно зрелой галактике, которая существовала, когда Вселенной было менее 300 миллионов лет — всего 2% от её текущего возраста.

Наблюдаемая космическим телескопом NASA James Webb, галактика, обозначенная как JADES-GS-z14-0, оказалась неожиданно яркой и химически сложной для объекта из этой ранней эпохи, заявили исследователи. Это предоставляет редкий взгляд на самые ранние этапы существования Вселенной.

Результаты, опубликованные в журнале Nature Astronomy, основываются на предыдущем открытии исследователей, о котором сообщалось в 2024 году, когда JADES-GS-z14-0 была идентифицирована как самая далёкая из наблюдаемых галактик. Если первоначальное открытие установило рекордное расстояние и неожиданную яркость галактики, то новое исследование углубляется в её химический состав и эволюционное состояние.

Работа была выполнена в рамках программы JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), крупного проекта космического телескопа James Webb, предназначенного для изучения далёких галактик.

Это не было просто случайным открытием, сказал Кевин Хейнлайн, соавтор нового исследования и доцент-исследователь в обсерватории Стюарда Университета Аризоны. Программа была специально разработана для поиска далёких галактик, но эта побила рекорды команды способами, которых они не ожидали — она была внутренне яркой и имела сложный химический состав, что было совершенно неожиданно для столь раннего периода истории Вселенной.

"Это не просто крошечный объект. Она яркая и довольно протяжённая для возраста Вселенной, когда мы её наблюдали", — сказал Хейнлайн.

"Тот факт, что мы нашли эту галактику в крошечной области неба, означает, что таких объектов должно быть больше", — сказал ведущий автор исследования Якоб Хелтон, аспирант обсерватории Стюарда. "Если бы мы посмотрели на всё небо, что мы не можем сделать с помощью JWST, мы в конечном итоге нашли бы больше таких экстремальных объектов".

Исследовательская группа использовала несколько инструментов на борту JWST, включая камеру ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam), создание которой возглавляла профессор астрономии Университета Аризоны Марсия Рике. Другой инструмент телескопа — прибор среднего инфракрасного диапазона (MIRI) — выявил нечто необычное: значительное количество кислорода.

В астрономии всё, что тяжелее гелия, считается "металлом", сказал Хелтон. Такие металлы требуют поколений звёзд для своего образования. Ранняя Вселенная содержала только водород, гелий и следовые количества лития. Но обнаружение значительного количества кислорода в галактике JADES-GS-z14-0 предполагает, что галактика формировала звёзды, возможно, в течение 100 миллионов лет до того, как её наблюдали.

Чтобы создать кислород, галактика должна была начать формироваться очень рано, потому что ей нужно было создать поколение звёзд, сказал Джордж Рике, профессор астрономии и старший автор исследования. Эти звёзды должны были эволюционировать и взорваться как сверхновые, чтобы высвободить кислород в межзвёздное пространство, из которого затем формировались бы новые звёзды и эволюционировали.

"Это очень сложный цикл, чтобы получить столько кислорода, сколько есть в этой галактике. Это действительно поразительно", — сказал Рике.

Это открытие предполагает, что звёздообразование началось ещё раньше, чем считали учёные, что отодвигает временные рамки для формирования первых галактик после Большого взрыва.

Наблюдение потребовало примерно девяти дней времени телескопа, включая 167 часов съёмки с помощью NIRCam и 43 часа съёмки с помощью MIRI, сфокусированных на невероятно маленьком участке неба.

Астрономам Университета Аризоны повезло, что эта галактика оказалась в идеальном месте для наблюдения с помощью MIRI. Если бы они направили телескоп на долю градуса в любую сторону, они бы пропустили эти важные данные в среднем инфракрасном диапазоне, сказал Хелтон.

"Представьте себе песчинку на расстоянии вытянутой руки. Вот насколько большой участок неба мы наблюдали", — сказал Хелтон.

Существование такой развитой галактики так рано в космической истории служит мощным тестовым случаем для теоретических моделей формирования галактик.

"Наше участие здесь — это результат лидерства Университета Аризоны в инфракрасной астрономии с середины 60-х годов, когда она только начиналась. У нас была первая крупная группа по инфракрасной астрономии в Лаборатории лунных и планетарных исследований, с Джерардом Койпером, Фрэнком Лоу и Гарольдом Джонсоном", — сказал Рике.

По мере того как человечество получает возможность напрямую наблюдать и понимать галактики, существовавшие в младенчестве Вселенной, это может предоставить ключевые данные о том, как Вселенная эволюционировала от простых элементов к сложной химии, необходимой для жизни, какой мы её знаем.

"Мы живём в невероятное время в истории астрономии", — сказал Хейнлайн. "Мы можем понимать галактики, которые находятся далеко за пределами всего, что когда-либо находили люди, и видеть их разными способами и действительно понимать их. Это действительно волшебство".

Дополнительная информация

• Как формируются "металлы" в галактиках, и почему их наличие в ранней Вселенной удивительно? - Металлы (элементы тяжелее гелия) образуются в звёздах в процессе нуклеосинтеза и распространяются в космосе после взрывов сверхновых. Их наличие в ранней Вселенной удивительно, так как для их образования требуется время, а ранние галактики существовали всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.

• Какие ещё элементы, кроме кислорода, могут быть обнаружены в ранних галактиках, и что они говорят об их эволюции? - В ранних галактиках могут быть обнаружены углерод, азот и неон. Эти элементы указывают на активное звёздообразование и химическую эволюцию, так как они образуются в звёздах и распространяются в результате их смерти.

• Как работает прибор среднего инфракрасного диапазона (MIRI) и почему он важен для изучения ранних галактик? - MIRI (Mid-Infrared Instrument) на телескопе James Webb позволяет наблюдать объекты в инфракрасном диапазоне, что особенно важно для изучения ранних галактик, так как их свет из-за расширения Вселенной смещён в красную область спектра. Это позволяет "видеть" сквозь космическую пыль и наблюдать далёкие объекты.

• Какие ещё программы, кроме JADES, используют космический телескоп James Webb для изучения ранней Вселенной? - Программы, такие как CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science) и COSMOS-Web, также используют James Webb для изучения ранней Вселенной, фокусируясь на формировании галактик и крупномасштабной структуре Вселенной.

• Как Университет Аризоны стал лидером в инфракрасной астрономии, и какие ещё открытия он сделал в этой области? - Университет Аризоны стал лидером благодаря разработке передовых инфракрасных инструментов и участию в крупных проектах, таких как телескопы Large Binocular Telescope и James Webb. Среди открытий — обнаружение экзопланет и изучение формирования галактик.

• Какие изменения в теоретических моделях формирования галактик могут потребоваться после этого открытия? - Новые данные могут потребовать пересмотра моделей, связанных с темпами звёздообразования и химической эволюции в ранних галактиках, так как обнаружение металлов в таких ранних объектах указывает на более быстрые процессы, чем предполагалось ранее.

Полная версия:: James Webb Space Telescope reveals unexpected complex chemistry in primordial galaxy

Четыре крошечные планеты обнаружены у одной из ближайших к нам звезд.

Астрономы представили новые доказательства того, что вокруг звезды Барнарда, второй по близости к Земле звездной системы, вращаются не одна, а четыре крошечные планеты.

Четыре планеты, каждая из которых имеет массу всего около 20–30% от массы Земли, находятся так близко к своей звезде, что совершают полный оборот вокруг нее всего за несколько дней.

Это, вероятно, означает, что они слишком горячие для того, чтобы быть обитаемыми, но данное открытие стало новым эталоном в поиске небольших планет у ближайших звезд.

"Это действительно захватывающее открытие — звезда Барнарда является нашим космическим соседом, и при этом мы так мало о ней знаем", — сказал Ритик Базант, аспирант Чикагского университета и первый автор исследования.

"Это свидетельствует о прорыве в точности новых инструментов по сравнению с предыдущими поколениями".

Это открытие подтверждает результаты исследования, проведенного в ноябре другой командой с использованием другого телескопа, которая обнаружила убедительные доказательства существования одной планеты у звезды Барнарда и намеки на наличие других.

Новое исследование, в котором участвовали ученые из обсерватории Gemini/Национальной научной лаборатории NOIRLab, Гейдельбергского университета и Амстердамского университета, было опубликовано 11 марта в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Колебания звезды

На протяжении столетия астрономы изучали звезду Барнарда в надежде найти планеты вокруг нее. Впервые она была обнаружена Э. Э. Барнардом в обсерватории Йеркса в 1916 году и является ближайшей звездной системой, имеющей такую же конфигурацию, как и наша, то есть состоящей из одной звезды.

(Ближайшая к нам звездная система, Проксима Центавра, состоит из трех звезд, вращающихся вокруг друг друга, что меняет динамику формирования планет и их орбит).

Звезда Барнарда относится к типу звезд, называемых красными карликами (M-карликами), которые, как мы теперь знаем, чрезвычайно распространены во Вселенной.

Поэтому ученые хотели бы больше узнать о том, какие планеты могут существовать вокруг таких звезд.

Проблема в том, что эти далекие планеты слишком малы, чтобы их можно было увидеть рядом с ярким светом их звезд, даже с помощью самых мощных телескопов.

Это означает, что ученым пришлось проявить изобретательность, чтобы их найти.

Одну из таких попыток возглавил профессор Чикагского университета Джейкоб Бин, чья команда создала и установила прибор под названием MAROON-X, который прикреплен к телескопу Gemini на вершине горы на Гавайях и специально предназначен для поиска далеких планет.

Поскольку звезды намного ярче своих планет, проще искать эффекты, которые планеты оказывают на свои звезды, — например, наблюдать за ветром, следя за движением флага.

MAROON-X ищет один из таких эффектов: гравитация каждой планеты слегка воздействует на положение звезды, из-за чего звезда как бы колеблется вперед и назад.

MAROON-X измеряет цвет света настолько точно, что может уловить эти незначительные смещения и даже определить количество и массы планет, которые должны вращаться вокруг звезды, чтобы вызвать такой эффект.

Базант, Бин и их команда тщательно откалибровали и проанализировали данные, собранные за 112 ночей в течение трех лет.

Они обнаружили убедительные доказательства существования трех планет вокруг звезды Барнарда.

Когда команда объединила свои результаты с данными ноябрьского эксперимента, проведенного другой группой с использованием прибора ESPRESSO на Очень Большом Телескопе в Чили, они обнаружили убедительные доказательства существования четвертой планеты.

Ученые считают, что эти планеты, скорее всего, являются каменистыми, а не газовыми, как Юпитер.

Это будет сложно подтвердить с уверенностью: угол, под которым мы видим их с Земли, не позволяет наблюдать, как они проходят перед своей звездой, что является обычным методом определения, является ли планета каменистой.

Но, собирая информацию о похожих планетах у других звезд, мы можем делать более точные предположения об их составе.

Однако команде удалось с достаточно высокой степенью уверенности исключить существование других планет в обитаемой зоне вокруг звезды Барнарда.

"Действительно захватывающе"

Звезду Барнарда называют "великим белым китом" для охотников за планетами: несколько раз за последнее столетие группы ученых объявляли о доказательствах существования планет вокруг звезды Барнарда, но позже эти данные опровергались.

Однако эти последние открытия, независимо подтвержденные в двух разных исследованиях с использованием приборов ESPRESSO и MAROON-X, означают гораздо более высокую степень уверенности, чем любые предыдущие результаты.

"Мы наблюдали в разное время ночи в разные дни. Они находятся в Чили; мы — на Гавайях. Наши команды вообще не координировали свои действия", — сказал Базант.

"Это дает нам большую уверенность в том, что это не фантомы в данных".

Эти планеты являются одними из самых маленьких, обнаруженных с помощью данной методики наблюдений.

Ученые надеются, что это ознаменует новую эру в поиске все большего количества планет во Вселенной.

Большинство каменистых планет, которые мы обнаружили до сих пор, намного больше Земли, и они, похоже, довольно похожи по всей галактике.

Но есть основания полагать, что меньшие планеты будут иметь более разнообразный состав.

По мере того как мы находим их больше, мы можем начать получать больше информации о том, как формируются эти планеты, и что делает их потенциально пригод

Дополнительная информация

• Почему красные карлики (M-карлики) считаются наиболее распространенным типом звезд во Вселенной? - Красные карлики составляют около 70% всех звезд во Вселенной благодаря их малой массе и длительному сроку жизни.
• Как прибор MAROON-X измеряет цвет света для обнаружения планет? - MAROON-X использует спектроскопию для анализа изменений в цвете света звезды, вызванных гравитационным влиянием планет.
• Почему планеты, находящиеся близко к звезде, считаются непригодными для жизни? - Они подвержены сильному излучению и приливным силам, что делает их поверхность слишком горячей и нестабильной для жизни.
• Какие методы, кроме наблюдения за колебаниями звезды, используются для поиска экзопланет? - Транзитный метод (наблюдение за затемнением звезды), прямой метод (визуальное обнаружение) и гравитационное микролинзирование (искривление света).
• Почему звезду Барнарда называют "великим белым китом" для охотников за планетами? - Она близка к Земле, но поиск планет вокруг нее сложен из-за ее низкой светимости и активности.
• Какие особенности каменистых планет делают их более интересными для изучения, чем газовые гиганты? - Каменистые планеты могут иметь твердую поверхность и потенциально подходящие условия для жизни.
• Как открытие планет у звезды Барнарда может повлиять на поиск жизни во Вселенной? - Это может расширить наши знания о потенциально обитаемых мирах, особенно вблизи красных карликов.

Полная версия:: Four tiny planets found orbiting one of our nearest stars

Новый компьютерный код может упростить и удешевить создание стеллараторов для термоядерной энергии.

Физики разработали новый компьютерный код, который может ускорить проектирование сложных магнитов, формирующих плазму в стеллараторах, что сделает эти системы проще и дешевле в строительстве.

Подобно инженерам, проектирующим высокопроизводительные гоночные автомобили Formula One, ученые хотят создавать высокопроизводительную плазму в сложных термоядерных системах, известных как стеллараторы. Для достижения этой производительности плазма должна сохранять большую часть своего тепла и оставаться в пределах удерживающих её магнитных полей.

Чтобы упростить создание такой плазмы, физики разработали новый компьютерный код, который может ускорить проектирование сложных магнитов, формирующих плазму, делая стеллараторы проще и дешевле в строительстве.

Код, получивший название QUADCOIL, помогает ученым исключить формы плазмы, которые стабильны, но требуют магнитов чрезмерно сложной формы. С этой информацией ученые могут сосредоточиться на проектировании стеллараторов, которые можно построить с меньшими затратами.

"QUADCOIL быстро предсказывает сложность магнитов, помогая избежать форм плазмы, которые хороши с точки зрения физики, но не подходят для реального строительства термоядерного реактора", — сказал Фрэнк Фу, аспирант Программы по физике плазмы Принстонского университета, базирующейся в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE), и ведущий автор статьи, описывающей код. Это исследование объединяет экспертизу PPPL в области сложных компьютерных кодов для плазмы с её богатой историей разработки стеллараторов, концепция которых была предложена лабораторией 70 лет назад.

Баланс физики и инженерии

После того как ученые выбирают форму плазмы с определенными свойствами, способствующими термоядерным реакциям, QUADCOIL эффективно выполняет приблизительные расчеты для определения форм магнитов, которые могут создать плазму с такими свойствами. Если формы оказываются слишком сложными, код позволяет ученым перепроектировать форму плазмы. Этот процесс приводит к балансу физики и инженерии, который занимал бы гораздо больше времени при использовании других кодов. Фактически, в то время как традиционные программы для проектирования магнитов могут оценивать формы магнитов за 20 минут или несколько часов, QUADCOIL справляется с этой задачей за 10 секунд.

Инновационная техника

Традиционные программы обычно имеют два этапа: одна программа определяет форму плазмы с требуемыми свойствами, а другая — формы магнитов, которые могут создать эти свойства, причем между ними почти нет взаимодействия. Более новый тип программы выполняет оба расчета одновременно, но из-за сложности задачи программа работает дольше и может привести к проектам магнитов, которые слишком сложны для строительства, или к созданию плазмы, которая не работает так, как задумано.

"Представьте две команды, строящие автомобильный двигатель: одна проектирует двигатель, а другая его собирает", — сказал Фу. "QUADCOIL, в некотором смысле, перемещает одного человека из команды сборки в команду проектирования, чтобы следить за тем, как проект может повлиять на конечный продукт. Оценка будет более грубой, чем если бы вы действительно построили автомобиль и подсчитали расходы, но процесс быстрее и приводит к разумным спецификациям".

Гибкость для большей точности

QUADCOIL также позволяет ученым добавлять ряд инженерных спецификаций к входным данным, генерируя формы магнитов, которые более соответствуют их потребностям. Эти спецификации могут включать информацию о материалах и формах магнитов или их топологии. Более того, QUADCOIL может генерировать данные о свойствах, которые другие коды не могут, включая кривизну магнитов и величину магнитной силы, которую они испытывают. "Короче говоря, QUADCOIL имеет три инновации: он рассчитывает быстрее, предсказывает больше свойств, чем другие коды, и гибок", — сказал Фу.

Это исследование показывает, насколько важны сложные компьютерные программы для разработки термоядерных установок на основе стеллараторов. "Одной из основных проблем при проектировании стеллараторов является то, что магниты могут иметь сложные формы, которые трудно построить", — сказала Элизабет Пол, доцент прикладной физики и прикладной математики Колумбийского университета и одна из соавторов статьи. "Эта проблема говорит нам о том, что нам нужно думать о сложности магнитов с самого начала. Если мы сможем использовать компьютерные коды для поиска форм плазмы, которые имеют нужные физические свойства и могут быть созданы с помощью магнитов простой формы, мы сможем сделать термоядерную энергию дешевле".

Фу и другие члены исследовательской группы сейчас разрабатывают версию QUADCOIL, которая не только определяет, насколько легко построить определенный набор магнитов, но и подсказывает исследователю, как улучшить форму плазмы. Хотя текущий прототип кода может работать на ноутбуке, окончательная версия, скорее всего, потребует компьютера с более мощными графическими процессорами. Фу также планирует интегрировать будущую версию QUADCOIL в более крупные программные комплексы для проектирования стеллараторов. "Разработка стелларатора требует много вычислений", — сказал Фу. "Я стараюсь сделать процесс проектирования как можно более гладким".

Помимо Пол, в разработке QUADCOIL участвовали Алан Каптаноглу из Института математических наук Куранта Нью-Йоркского университета и Амитава Бхаттачарджи, бывший руководитель теоретического отдела PPPL. Исследование было поддержано программой Министерства энергетики США "Научные открытия через передовые

Дополнительная информация

• Какие основные отличия стеллараторов от других термоядерных реакторов, таких как токамаки? - Стеллараторы и токамаки отличаются конструкцией магнитного поля. В токамаках магнитное поле создается с помощью тока в плазме, а в стеллараторах — сложной системой внешних катушек, что делает их более стабильными, но сложнее в проектировании.
• Какие материалы обычно используются для создания магнитов в стеллараторах? - Для создания магнитов в стеллараторах часто используются сверхпроводящие материалы, такие как ниобий-титан или ниобий-олово, которые позволяют создавать сильные магнитные поля при низких температурах.
• Какие основные вызовы стоят перед разработчиками стеллараторов, помимо сложности магнитов? - Основные вызовы включают управление плазмой, минимизацию потерь энергии и создание эффективных систем охлаждения для поддержания сверхпроводящих магнитов.
• Как QUADCOIL может повлиять на сроки разработки термоядерных реакторов в будущем? - QUADCOIL может значительно ускорить процесс проектирования, автоматизируя сложные расчеты и оптимизируя конструкцию магнитных систем, что сократит время на разработку и тестирование.

Полная версия:: New computer code could lead to simpler, less costly stellarators for fusion power

Открытие квантовых точек для светодиодов приведет к созданию более ярких и экологичных дисплеев.

Новое исследование Университета Кертина совершило прорыв в области экологически чистой технологии дисплеев, создав высокоэффективные и стабильные синие светодиоды на основе квантовых точек (QLED), которые могут стать основой для следующего поколения телевизоров, смартфонов, VR-гарнитур и энергоэффективного освещения — без использования токсичных тяжелых металлов.

Автор исследования, доцент Гохуа Цзя из Школы молекулярных и биологических наук Университета Кертина, отметил, что QLED — это передовая технология дисплеев, известная своей превосходной яркостью, точностью цветопередачи, долговечностью и энергоэффективностью по сравнению с традиционными светодиодами.

Однако до сих пор создание стабильных и эффективных синих QLED без токсичных материалов, таких как кадмий, оставалось серьезной проблемой.

«Наша исследовательская группа разработала новый тип квантовых точек, которые соответствуют или даже превосходят традиционные QLED на основе кадмия, но при этом являются более безопасными и экологичными», — сказал доцент Цзя.

«Наши квантовые точки излучают чистый и яркий синий свет с впечатляющей эффективностью 24,7%, что является одним из самых высоких показателей для синих QLED.

«Кроме того, они работают почти 30 000 часов, что делает их многообещающим шагом на пути к созданию более долговечных и экологически чистых дисплеев».

Доцент Цзя пояснил, что исследователи достигли этого, точно настроив структуру квантовых точек на атомном уровне, уменьшив дефекты, которые могут мешать излучению света.

«Такой подход позволил нам создать более однородные квантовые точки, улучшив как яркость, так и стабильность», — сказал доцент Цзя.

«Мы считаем, что наше исследование окажет значительное влияние на широкий спектр устройств, известных как оптоэлектроника, которые либо производят свет, либо используют его для выполнения своих функций.

«Эти результаты представляют собой новый рубеж в технологии дисплеев и прокладывают путь к созданию превосходных экранов с высокой чистотой цвета, стабильностью работы и экологичностью».

Исследование проводилось в сотрудничестве с учеными из Шанхайского университета, Цзилиньского университета, Китайской академии наук, Фуданьского университета и TCL Research.

Дополнительная информация

• Какие именно токсичные материалы, помимо кадмия, традиционно используются в производстве QLED, и почему они считаются опасными? - Помимо кадмия, в производстве QLED могут использоваться свинец и селен. Эти материалы токсичны для человека и окружающей среды: свинец вызывает неврологические нарушения, а селен в больших количествах вреден для живых организмов.
• Как именно настройка структуры квантовых точек на атомном уровне влияет на их эффективность и стабильность? - Настройка структуры на атомном уровне позволяет контролировать оптические и электронные свойства квантовых точек, что улучшает их эффективность преобразования энергии и повышает стабильность, важную для долговечности устройств.
• Какие еще области оптоэлектроники, помимо дисплеев, могут выиграть от использования новых квантовых точек? - Квантовые точки могут применяться в солнечных батареях, биомедицинской визуализации и светодиодах, улучшая их эффективность и точность благодаря своим уникальным свойствам.

Полная версия:: Quantum dot discovery for LEDs brings brighter, more eco-friendly displays

Микропластик может способствовать развитию устойчивости к антибиотикам.

Микропластик — крошечные частицы пластикового мусора — распространен по всей планете. Он проник в пищевые цепи, накапливается в океанах, скапливается в облаках и на горных вершинах, а также обнаруживается в наших организмах с тревожной частотой. Ученые спешат выяснить непредвиденные последствия такого количества пластика вокруг и внутри нас.

Одно из возможных и удивительных последствий: увеличение числа устойчивых к лекарствам бактерий.

В поразительном открытии группа исследователей из Бостонского университета обнаружила, что бактерии, подвергшиеся воздействию микропластика, стали устойчивыми к нескольким типам антибиотиков, обычно используемых для лечения инфекций. По их словам, это особенно тревожно для людей в густонаселенных и бедных районах, таких как лагеря беженцев, где скапливается выброшенный пластик, а бактериальные инфекции легко распространяются. Исследование опубликовано в журнале Applied and Environmental Microbiology.

«Тот факт, что микропластик окружает нас повсюду, и особенно в бедных районах, где санитарные условия могут быть ограничены, является поразительной частью этого наблюдения», — говорит Мухаммад Заман, профессор биомедицинской инженерии в Колледже инженерии Бостонского университета, изучающий устойчивость к антимикробным препаратам и здоровье беженцев и мигрантов. «Безусловно, существует опасение, что это может представлять более высокий риск для уязвимых сообществ, что только подчеркивает необходимость большей бдительности и более глубокого понимания взаимодействий между микропластиком и бактериями».

По оценкам, ежегодно происходит 4,95 миллиона смертей, связанных с инфекциями, устойчивыми к антимикробным препаратам. Бактерии становятся устойчивыми к антибиотикам по многим причинам, включая неправильное использование и чрезмерное назначение лекарств, но одним из ключевых факторов, способствующих устойчивости, является микросреда — непосредственное окружение микроорганизма, где бактерии и вирусы размножаются. В лаборатории Замана в Бостонском университете исследователи тщательно изучили, как обычная бактерия Escherichia coli (E. coli) реагирует на нахождение в закрытой среде с микропластиком.

«Пластик предоставляет поверхность, к которой бактерии прикрепляются и колонизируют», — говорит Нейла Гросс (ENG'27), кандидат наук в области материаловедения и инженерии в Бостонском университете и ведущий автор исследования. Как только бактерии прикрепляются к любой поверхности, они создают биопленку — липкое вещество, которое действует как щит, защищая бактерии от внешних воздействий и надежно удерживая их на месте. Хотя бактерии могут образовывать биопленки на любой поверхности, Гросс заметила, что микропластик значительно усиливает биопленки бактерий, так что при добавлении антибиотиков лекарство не может проникнуть через этот щит.

«Мы обнаружили, что биопленки на микропластике, по сравнению с другими поверхностями, такими как стекло, гораздо прочнее и толще, как дом с огромным слоем изоляции», — говорит Гросс. «Это было поразительно увидеть». Уровень устойчивости к антибиотикам на микропластике был настолько высок по сравнению с другими материалами, что она повторила эксперименты несколько раз, тестируя различные комбинации антибиотиков и типов пластика. Каждый раз результаты оставались неизменными.

«Мы демонстрируем, что присутствие пластика делает гораздо больше, чем просто предоставляет поверхность для прикрепления бактерий — он фактически способствует развитию устойчивых организмов», — говорит Заман. Он возглавляет Центр по вопросам вынужденного перемещения в Бостонском университете, миссия которого — улучшить жизнь перемещенных лиц по всему миру. Предыдущие исследования показали, что беженцы, лица, ищущие убежища, и вынужденно перемещенные лица подвержены повышенному риску заражения устойчивыми к лекарствам инфекциями из-за жизни в переполненных лагерях и ограниченного доступа к медицинской помощи.

«Исторически люди связывали устойчивость к антибиотикам с поведением пациентов, например, с неправильным приемом лекарств. Но человек ничего не сделал, чтобы быть вынужденным жить в определенной среде, и факт в том, что он подвергается более высокому риску заражения устойчивыми инфекциями», — говорит Заман. Именно поэтому, по его словам, нельзя игнорировать экологические и социальные причины появления устойчивых к лекарствам супербактерий. По состоянию на 2024 год в мире насчитывалось около 122 миллионов перемещенных лиц. По словам Замана, распространение микропластика может добавить еще один элемент риска в уже недофинансируемые и недостаточно изученные системы здравоохранения, обслуживающие беженцев.

Гросс и Заман говорят, что следующим шагом в их исследовании будет выяснение, применимы ли их лабораторные результаты к реальному миру. Они надеются начать исследования с зарубежными партнерами, чтобы отслеживать появление устойчивых к антибиотикам бактерий и вирусов, связанных с микропластиком, в лагерях беженцев. Они также хотят выяснить точные механизмы, которые позволяют бактериям так прочно удерживаться на пластике.

«Пластик обладает высокой адаптивностью», — говорит Гросс, и его молекулярный состав может способствовать процветанию бактерий — но пока неясно, как именно это происходит. Одна из теорий, по ее словам, заключается в том, что пластик отталкивает воду и другие жидкости, что позволяет бактериям легко прикрепляться. Но со временем пластик начинает впитывать влагу. Это означает, что микропластик может поглощать антибиоти

Дополнительная информация

• Как микропластик влияет на молекулярный состав бактерий, делая их более устойчивыми к антибиотикам? - Микропластик может служить поверхностью для образования биопленок, где бактерии обмениваются генами устойчивости к антибиотикам, что усиливает их резистентность.
• Какие типы пластика наиболее способствуют образованию биопленок у бактерий? - Полиэтилен и полипропилен, благодаря своей пористой структуре, наиболее способствуют образованию биопленок.
• Как микропластик влияет на распространение устойчивых бактерий в лагерях беженцев? - В условиях скученности и ограниченного доступа к чистой воде микропластик может усиливать распространение устойчивых бактерий через загрязненные источники воды.
• Какие методы используются для отслеживания устойчивых бактерий в окружающей среде? - Методы включают секвенирование ДНК, ПЦР-анализ и использование флуоресцентных маркеров для идентификации устойчивых штаммов.
• Как микропластик взаимодействует с антибиотиками в окружающей среде? - Микропластик может адсорбировать антибиотики, снижая их эффективность и способствуя развитию устойчивости у бактерий.
• Какие социальные меры могут снизить влияние микропластика на устойчивость к антибиотикам? - Улучшение систем утилизации отходов, ограничение использования одноразового пластика и повышение осведомленности о проблеме среди населения.
• Как микропластик влияет на здоровье морских организмов и их устойчивость к антибиотикам? - Микропластик может накапливаться в тканях морских организмов, вызывая воспаления и способствуя передаче генов устойчивости к антибиотикам между бактериями.

Полная версия:: Microplastics could be fueling antibiotic resistance

Людям предстоит долгий путь к пониманию эмоций собак.

Жизнь с собакой — это вопрос взаимопонимания. Особенно когда речь идет о коммуникации. Поскольку общего языка между человеком и собакой не существует, наша способность общаться зависит от умения понимать и "читать" своего питомца, и наоборот. Этот процесс может казаться простым. Вы даете собаке лакомство, смотрите ей в глаза, и она как будто говорит: "Я в восторге от этого печенья". Слегка виляя хвостом, она принимает угощение и убегает в другую комнату, чтобы насладиться им. Вы чувствуете связь со своей собакой.

По крайней мере, так вам кажется.

Новое исследование Университета штата Аризона (Arizona State University) показало, что люди часто не понимают истинного значения эмоций своих питомцев и могут неправильно их интерпретировать. Причин этому множество, включая человеческое непонимание выражений собаки из-за склонности проецировать человеческие эмоции на своих питомцев.

В новой статье "Лаять не на то дерево: восприятие людьми эмоций собак зависит от внешних факторов" исследователи ASU Холли Молинаро и Клайв Винн описывают два эксперимента, которые они провели, чтобы показать, как люди ошибочно воспринимают эмоции собак. Их исследование показывает, что люди обычно плохо понимают эмоциональное состояние своей собаки, потому что судят о ее эмоциях, основываясь на контексте события, которое они наблюдают.

"Люди не смотрят на то, что делает собака, вместо этого они смотрят на ситуацию вокруг собаки и строят свое восприятие эмоций на этом", — сказала Молинаро, аспирант кафедры психологии ASU и специалист по благополучию животных.

"Наши собаки пытаются общаться с нами, но мы, люди, кажется, решили смотреть на все, кроме самого бедного пса", — добавил Винн, профессор психологии ASU, изучающий поведение собак и связь между человеком и собакой.

К непониманию добавляется человеческая склонность проецировать свои чувства на собаку. Такая "антропоморфизация" взаимодействия еще больше затрудняет истинное понимание того, каким может быть эмоциональное состояние вашей собаки и что она пытается вам сказать.

В двух экспериментах Молинаро и Винн исследовали восприятие людьми эмоций собак. Они записали на видео собаку в ситуациях, которые они считали положительными (вызывающими радость) или отрицательными (менее радостными).

Радостные ситуации включали предложение поводка или лакомства, а неприятные — мягкое наказание или появление страшного пылесоса. Затем в одном эксперименте они показали обычным людям эти видео с фоном и без него. Во втором эксперименте они отредактировали видео так, чтобы собака, снятая в радостном контексте, выглядела так, будто она была записана в неприятной ситуации, а собака, снятая в неприятной ситуации, выглядела так, будто она была в радостной. В обоих экспериментах люди оценивали, насколько счастливыми и возбужденными, по их мнению, были собаки. В первом эксперименте участвовали 383 человека, а во втором — 485.

Исследователи обнаружили, что восприятие людьми настроения собаки основывалось на всем, что было в видео, кроме самой собаки.

"Люди не смотрят на то, что делает собака, вместо этого они смотрят на ситуацию вокруг собаки и строят свое восприятие эмоций на этом", — сказала Молинаро. "Вы видите, как собака получает лакомство, и предполагаете, что она должна чувствовать себя хорошо. Вы видите, как на собаку кричат, и предполагаете, что она чувствует себя плохо. Эти предположения о том, как, по вашему мнению, чувствует себя собака, не имеют ничего общего с поведением или эмоциональными сигналами собаки, что очень поразительно".

"В нашем исследовании, когда люди видели видео, на котором собака, по-видимому, реагирует на пылесос, все говорили, что собака чувствует себя плохо и взволнованно", — продолжила она. "Но когда они видели видео, на котором собака делает то же самое, но на этот раз, по-видимому, реагирует на вид поводка, все сообщали, что собака чувствует себя счастливой и спокойной. Люди не судили об эмоциях собаки на основе ее поведения, а на основе ситуации, в которой находилась собака".

Еще больше усложняет процесс коммуникации склонность людей проецировать свои эмоции на собаку. Молинаро объяснила, что, хотя люди и собаки на протяжении веков разделяли связь, это не означает, что их эмоциональное восприятие или даже эмоциональные выражения одинаковы.

"Меня всегда удивляла идея о том, что у собак и людей должны быть одинаковые эмоции, поскольку она очень предвзята и не имеет реальных научных доказательств, поэтому я хотела выяснить, есть ли факторы, которые на самом деле могут влиять на наше восприятие эмоций собак", — сказала Молинаро. "Если бы они были, если бы мы, как люди, сосредотачивались на других аспектах, не связанных с собакой, чтобы определить ее эмоциональное состояние, то как ученым, так и владельцам домашних животных действительно пришлось бы начинать все с нуля".

Молинаро объяснила, что даже в исследованиях восприятия человеческих эмоций людьми ясно, что для понимания эмоций недостаточно просто смотреть на лицо человека. Культура, настроение, контекст ситуации и даже предыдущее выражение лица могут влиять на то, как люди воспринимают эмоции. Однако, когда речь идет об эмоциях животных, никто еще не изучал, влияют ли те же факторы на нас таким же образом.

"Наше исследование показывает, что

Дополнительная информация

• Как антропоморфизация влияет на наше понимание эмоций животных? - Антропоморфизация может привести к ошибочной интерпретации поведения животных, так как мы приписываем им человеческие мотивы и эмоции, которые могут не соответствовать их реальным переживаниям.
• Какие научные доказательства существуют о различиях в эмоциональных выражениях у собак и людей? - Исследования показывают, что собаки используют мимику, позы и звуки для выражения эмоций, но эти сигналы отличаются от человеческих. Например, улыбка собаки может быть признаком стресса, а не радости.
• Как культурные различия могут влиять на восприятие эмоций животных? - Культурные нормы формируют наши ожидания относительно поведения животных. Например, в одних культурах лай собаки воспринимается как угроза, а в других — как проявление радости.
• Какие методы используются для изучения эмоций животных в научных исследованиях? - Ученые используют наблюдение за поведением, анализ гормонального фона (например, кортизола) и нейровизуализацию (например, МРТ) для изучения эмоций животных.
• Как предыдущий опыт владельцев собак влияет на их восприятие эмоций питомцев? - Владельцы с большим опытом чаще интерпретируют поведение собак через призму своих прошлых взаимодействий, что может приводить к субъективным оценкам.
• Какие эмоциональные сигналы собак чаще всего неправильно интерпретируются людьми? - Виляние хвостом часто воспринимается как признак радости, но на самом деле может указывать на возбуждение или даже агрессию. Также зевота у собак может быть признаком стресса, а не усталости.
• Как можно улучшить коммуникацию между людьми и собаками на основе научных исследований? - Обучение владельцев пониманию естественных сигналов собак и использование научно обоснованных методов взаимодействия, таких как положительное подкрепление, могут значительно улучшить коммуникацию.

Полная версия:: Humans have a long way to go in understanding a dog's emotions

Потеря арктического морского льда приводит к более сухой погоде в Калифорнии и более влажной в Испании и Португалии.

Исследование, проведенное учеными из Барселонского института глобального здравоохранения (ISGlobal), центра, поддерживаемого фондом "la Caixa", использовало новый подход для изучения влияния потери арктического морского льда на климат планеты, изолируя его от других факторов, связанных с изменением климата.

Исследование, опубликованное в журнале Communications Earth and Environment, показывает, что в десятилетних масштабах потеря арктического льда способствует тому, что климат на юго-западе США — и особенно в Калифорнии — становится в среднем более сухим, особенно зимой. Это явление также влияет на климат Испании и Португалии, способствуя более влажным условиям зимой, хотя в этом случае наблюдаемый эффект слабее.

"Существует много научных разногласий по поводу удаленных эффектов потери арктического морского льда. До сих пор многие исследования были сосредоточены на долгосрочных эффектах, в масштабе столетий. Другие изучали реакцию на потерю морского льда с помощью моделей, которые искусственно накладывают тепло для таяния льда, что может повлиять на смоделированный ответ. Некоторые исследования изменяли ледяной покров Антарктики и Арктики одновременно, что затрудняет определение их индивидуального вклада. В нашем исследовании мы разработали методологию для оценки воздействия потери арктического льда без добавления каких-либо тепловых потоков, и мы сосредоточились на эффектах, развивающихся в течение нескольких десятилетий", — объясняет Ивана Цвиянович, исследователь ISGlobal и ведущий автор исследования.

Чтобы прийти к этим выводам, команда использовала три модели различной сложности. В каждой из них они провели два набора симуляций: один с историческим количеством морского льда в Арктике, а другой с существенно уменьшенным ледяным покровом.

Исчезновение морского льда изменяет альбедо поверхности, то есть отражательную способность Северного Ледовитого океана, но также устраняет изоляцию между атмосферой и поверхностью океана и влияет на профили солености. Эти локальные изменения, в свою очередь, вызывают различные атмосферные и океанические телесвязи, которые могут распространяться далеко за пределы Арктики.

"Следует уточнить, что вывод не обязательно заключается в том, что в Калифорнии будет меньше дождей, а в Западном Средиземноморье — больше в ближайшие годы. Помимо потери ледяного покрова в Арктике, существует множество других факторов, реагирующих на выбросы парниковых газов и влияющих на климат (атмосферные и океанические обратные связи, изменения циркуляции, потеря антарктического льда, обратные связи растительности и т.д.). В любом случае, понимание влияния этого явления отдельно поможет нам уточнить глобальные прогнозы", — говорит Десислава Петрова, исследователь ISGlobal и последний автор исследования.

"Несмотря на все различные влияния в климатической системе нашей планеты, интересно отметить, что аномалии в схемах атмосферной циркуляции последних десятилетий показывают некоторые поразительные сходства с моделями, смоделированными в нашем исследовании — особенно такие события, как засуха в Калифорнии в 2012-2016 годах", — отмечает Ивана Цвиянович.

Дополнительная информация

• Как изменение альбедо поверхности Северного Ледовитого океана влияет на глобальный климат? - Уменьшение льда снижает альбедо, что приводит к большему поглощению солнечной энергии океаном. Это усиливает потепление в Арктике и может влиять на глобальные атмосферные и океанические течения.
• Какие другие факторы, помимо потери арктического льда, могут влиять на климат Калифорнии и Западного Средиземноморья? - Изменения в струйных течениях, вызванные потеплением в Арктике, могут смещать погодные системы, что приводит к засухам или сильным дождям в этих регионах.
• Как изменения солености океана, вызванные потерей льда, могут влиять на климатические системы? - Таяние льда добавляет пресную воду, что может замедлить океанические течения, такие как Гольфстрим, и изменить распределение тепла по планете.
• Какие методы используются для моделирования климатических изменений, связанных с потерей арктического льда? - Ученые используют климатические модели, которые включают данные о льде, температуре, солености и атмосферных процессах. Эти модели запускаются на суперкомпьютерах для прогнозирования будущих изменений.

Полная версия:: Arctic sea ice loss drives drier weather over California and wetter over Spain and Portugal

Суперсапфир устойчив к царапинам, бликам, запотеванию и пыли.

Экран телефона, который невозможно поцарапать, сколько бы раз вы его ни роняли. Очки, предотвращающие блики. Лобовое стекло, которое не покрывается пылью. Все это стало возможным благодаря новому способу производства сапфира.

Исследователи из Техасского университета в Остине разработали методы, которые наделяют сапфир "суперспособностями". Этот материал, который большинство из нас считает просто красивым драгоценным камнем, на самом деле имеет критически важное значение во многих областях — от обороны до потребительской электроники и окон следующего поколения — благодаря своей практически непревзойденной устойчивости к царапинам.

"Сапфир — это высокоценный материал благодаря своей твердости и многим другим благоприятным свойствам", — сказал Чи-Хао Чанг, доцент кафедры машиностроения Уокера и руководитель нового исследования. "Но те же свойства, которые делают его привлекательным, также затрудняют его производство в малых масштабах".

Чанг и его команда надеются решить эту проблему с помощью новых наноструктур на основе сапфира, описанных в журнале Materials Horizons. Эти наноструктуры демонстрируют самый высокий коэффициент соотношения сторон для этого материала, что позволяет сохранить его "суперспособности", не теряя при этом жесткости и твердости.

Хотя новые наноструктуры сапфира не так устойчивы к царапинам, как традиционный массивный сапфир (в этом отношении они сравнимы с вольфрамом или обычным стеклом), они обладают способностью отталкивать туман, пыль и блики благодаря своим самоочищающимся свойствам.

"Это очень интересно, поскольку наноструктуры традиционно считаются хрупкими, но создание их из сапфира может решить эту проблему", — сказал Кун-Чие Чиен, недавний выпускник докторантуры лаборатории Чанга и один из ведущих авторов исследования.

Вдохновленные глазом мотылька, конические профили наноструктур сапфира улучшают пропускание света и уменьшают блики. Высокая поверхностная энергия и коэффициент соотношения сторон наноструктур создают супергидрофильную поверхность, предотвращающую запотевание. Эти структуры также можно обработать для создания супергидрофобной поверхности, позволяющей каплям воды скатываться с поверхности, имитируя эффект листа лотоса.

"Наши наноструктуры сапфира не только многофункциональны, но и механически прочны, что делает их идеальными для применений, где важны долговечность и производительность", — сказал Мехмет Кепенекчи, аспирант лаборатории Чанга и один из ведущих авторов.

Эта технология имеет широкий спектр преимуществ. Для потребителей это может означать смартфоны, которые легче читать в сложных условиях освещения, линзы и окна, которые не запотевают, камеры, не подверженные бликам, и прочные лобовые стекла, которые не покрываются пылью.

С началом новой эры космических путешествий антипылевые свойства могут обеспечить защиту критически важного оборудования от налипания пыли во время посадки на другие планеты. Это также может привести к созданию более прочных инфракрасных датчиков и защитных окон в оборонных приложениях.

"Наши самоочищающиеся поверхности сапфира могут поддерживать 98,7% площади без пыли, используя только силу тяжести", — сказал Эндрю Тунелл, студент, проводивший эксперименты по адгезии пыли. "Это значительное улучшение по сравнению с существующими технологиями борьбы с пылью, что особенно полезно для применения в космосе, где вода недоступна для очистки".

Исследователи стремятся воплотить эту технологию в жизнь и работают над ее улучшением в нескольких направлениях. Они масштабируют производство, чтобы применять эти наноструктуры на более крупных образцах, улучшают механические и химические свойства для повышения их возможностей и исследуют еще больше реальных применений.

Дополнительная информация

• Какие еще материалы вдохновлены природой и используются в современных технологиях? - Примеры включают материалы, имитирующие структуру листьев лотоса (супергидрофобные поверхности), паутину (высокопрочные волокна) и раковины моллюсков (прочные композиты).
• Как наноструктуры сапфира могут быть применены в космических миссиях? - Сапфир используется для создания защитных окон и датчиков благодаря своей высокой прочности, устойчивости к радиации и экстремальным температурам.
• Какие еще материалы обладают супергидрофильными или супергидрофобными свойствами? - Супергидрофильные материалы включают титановые покрытия, а супергидрофобные — поверхности, имитирующие листья лотоса или покрытия на основе фторполимеров.
• Как коэффициент соотношения сторон влияет на свойства материалов? - Коэффициент соотношения сторон определяет механическую прочность, оптические свойства и теплопроводность материалов, особенно в наноструктурах.
• Какие проблемы возникают при масштабировании производства наноструктур сапфира? - Основные проблемы включают высокую стоимость производства, необходимость точного контроля параметров и ограниченную доступность высококачественного сырья.

Полная версия:: Super sapphire resists scratches, glare, fog and dust

Вулканы — причина кислорода, которым мы дышим?

Широко распространено мнение, что атмосфера Земли богата кислородом уже около 2,5 миллиардов лет благодаря относительно быстрому увеличению количества микроорганизмов, способных к фотосинтезу. Исследователи, включая специалистов из Токийского университета, предлагают механизм, объясняющий предшествующие события оксигенации, или "всплески", которые могли открыть путь для этого процесса. Их выводы свидетельствуют о том, что вулканическая активность изменила условия, ускорив оксигенацию, а всплески являются индикатором этого процесса.

Сделайте глубокий вдох. Задумывались ли вы когда-нибудь о воздухе, который попадает в ваши легкие?

Он в основном состоит из инертного азота, а ценный кислород, от которого зависит наша жизнь, составляет всего 21%. Но так было не всегда; на самом деле, несколько массовых вымираний совпадают с периодами, когда этот показатель резко менялся.

А если углубиться в прошлое, вы обнаружите, что около 3 миллиардов лет назад кислорода практически не было.

Так что же изменилось и как это произошло?

Научное сообщество пришло к консенсусу, что около 2,5 миллиардов лет назад произошло Великое кислородное событие (Great Oxygenation Event, GOE), скорее всего, из-за распространения микроорганизмов, которые использовали благоприятные условия и практически не сталкивались с конкуренцией.

Они, по сути, превратили атмосферу, богатую углекислым газом, в богатую кислородом, и вслед за этим появилась сложная жизнь, которая процветала благодаря новому изобилию кислорода.

Но, похоже, до GOE происходили некоторые предшествующие события оксигенации, которые могут указывать на точную природу и время изменений условий, необходимых для начала GOE.

"Активность микроорганизмов в океане сыграла ключевую роль в эволюции атмосферного кислорода. Однако мы считаем, что это не привело бы к немедленной оксигенации атмосферы, поскольку количество питательных веществ, таких как фосфат, в океане в то время было ограничено, что сдерживало активность цианобактерий — группы бактерий, способных к фотосинтезу", — сказал профессор Эйити Тадзика из Департамента наук о Земле и планетах Токийского университета.

"Вероятно, потребовались масштабные геологические события, чтобы насытить океаны питательными веществами, включая рост континентов и, как мы предполагаем в нашей работе, интенсивную вулканическую активность, которая, как мы знаем, происходила".

Тадзика и его команда использовали численную модель для моделирования ключевых аспектов биологических, геологических и химических изменений в позднем архее (3,0–2,5 миллиарда лет назад) геологической истории Земли.

Они обнаружили, что крупномасштабная вулканическая активность увеличила содержание углекислого газа в атмосфере, что привело к потеплению климата и увеличению поступления питательных веществ в океан, тем самым поддерживая морскую жизнь, что, в свою очередь, временно увеличило содержание кислорода в атмосфере.

Однако увеличение кислорода происходило не очень стабильно и проявлялось в виде всплесков, известных как "всплески оксигенации".

"Понимание этих всплесков имеет решающее значение для определения времени появления фотосинтезирующих микроорганизмов. Их возникновение выводится из концентраций элементов, чувствительных к уровням атмосферного кислорода, в геологической летописи", — сказал приглашенный научный сотрудник Ясуто Ватанабэ. "Самая большая задача заключалась в разработке численной модели, которая могла бы имитировать сложное, динамическое поведение биогеохимических циклов в условиях позднего архея. Мы опирались на наш общий опыт использования подобных моделей для других времен и целей, уточняя и объединяя различные компоненты, чтобы смоделировать динамическое поведение системы Земли в позднем архее после вулканических событий".

Дополнительная информация

• Как вулканическая активность влияет на содержание питательных веществ в океане? - Вулканическая активность высвобождает такие элементы, как железо, фосфор и кремний, которые обогащают океан и способствуют росту фитопланктона.
• Какие элементы в геологической летописи указывают на уровни кислорода в атмосфере? - Уровни кислорода можно определить по содержанию железа, серы и изотопов углерода в древних породах.
• Почему цианобактерии не могли сразу насытить атмосферу кислородом без вулканической активности? - Вулканическая активность способствовала высвобождению кислорода, связывая его с другими элементами, такими как железо, что предотвращало его повторное поглощение.
• Какие другие геологические события, кроме вулканической активности, могли повлиять на оксигенацию? - Тектонические движения, эрозия горных пород и изменения уровня моря также могли влиять на уровень кислорода в атмосфере.
• Как численные модели помогают изучать древние биогеохимические процессы? - Численные модели позволяют симулировать условия древней Земли, включая химические реакции и климатические изменения, что помогает понять эволюцию биогеохимических процессов.

Полная версия:: Are volcanoes behind the oxygen we breathe?

Является ли красное вино более полезным выбором, чем белое? Исследование рисков рака.

Распространено мнение, что не все алкогольные напитки одинаковы. Например, красное вино часто считается более полезным выбором, поскольку многие полагают, что его высокое содержание ресвератрола — антиоксиданта с противовоспалительными свойствами — защищает от рака. Однако исследователи из Школы общественного здравоохранения Университета Брауна подвергли это предположение проверке.

В новом исследовании ученые сравнили риски развития рака, связанные с употреблением красного и белого вина.

Проанализировав 42 обсервационных исследования с участием почти 96 000 человек, команда под руководством Юнён Чо, доцента эпидемиологии и дерматологии в Университете Брауна, не обнаружила четких доказательств того, что красное вино снижает риск рака.

Исследование также не выявило общего увеличения риска рака от употребления вина, независимо от его типа.

«Мы провели всесторонний метаанализ, чтобы оценить, действительно ли красное вино является более полезным выбором, чем белое», — сказал Чо. «Наш анализ включал как можно больше опубликованных эпидемиологических исследований, которые отдельно изучали связь между потреблением красного и белого вина и риском рака. Результаты показали, что в целом нет значительной разницы в риске рака между красным и белым вином. Однако мы обнаружили различие, когда речь шла о риске рака кожи. В частности, потребление белого вина, но не красного, было связано с повышенным риском рака кожи».

Фактически, исследователи подсчитали, что риск рака кожи при употреблении белого вина на 22% выше по сравнению с красным.

Причины этого остаются неясными. Исследователи предполагают, что чрезмерное употребление вина может коррелировать с рискованным поведением, таким как посещение соляриев и недостаточное использование солнцезащитных средств.

Однако неясно, почему именно белое вино является виновником.

Исследование также выявило более сильную связь между потреблением белого вина и повышенным общим риском рака среди женщин.

Этот вывод требует дальнейшего изучения потенциальных механизмов, лежащих в основе этой связи.

Метаанализ, проведенный командой, является первым в своем роде и ставит под сомнение убеждение, что красное вино полезнее белого.

Он также указывает на необходимость дальнейшего изучения связи между потреблением белого вина и риском рака, особенно у женщин.

Алкоголь, а именно этанол в алкогольных напитках, метаболизируется в соединения, которые повреждают ДНК и белки, способствуя риску рака. В 2020 году чрезмерное употребление алкоголя было связано с более чем 740 000 случаями рака по всему миру, что составляет 4,1% всех случаев.

Дополнительная информация

• Какие механизмы могут объяснить повышенный риск рака кожи при употреблении белого вина? - Белое вино содержит этанол, который в организме превращается в ацетальдегид — токсичное вещество, способное повреждать ДНК. Кроме того, алкоголь может повышать чувствительность кожи к ультрафиолетовому излучению, что увеличивает риск повреждения клеток и развития рака кожи.
• Почему белое вино может быть связано с повышенным риском рака у женщин, но не у мужчин? - У женщин может быть более высокая концентрация ферментов, превращающих этанол в ацетальдегид, что увеличивает риск повреждения ДНК. Также гормональные различия и меньшая масса тела у женщин могут способствовать более сильному воздействию алкоголя.
• Какие другие факторы, помимо этанола, могут способствовать риску рака при употреблении алкоголя? - В алкогольных напитках могут содержаться другие канцерогенные вещества, такие как нитрозамины и полициклические ароматические углеводороды. Кроме того, алкоголь может ослаблять иммунную систему, снижая её способность бороться с раковыми клетками.

Полная версия:: Is red wine a healthier choice than white wine? Uncorking the cancer risks

Таинственное явление в центре галактики может раскрыть новый вид темной материи.

Таинственное явление в центре нашей галактики может быть результатом существования другого типа темной материи.

Темная материя — загадочная форма ненаблюдаемой материи, которая может составлять до 85% массы известной Вселенной, — является одной из главных загадок науки.

В этом уникальном исследовании ученые сделали шаг ближе к пониманию этой неуловимой материи.

Они предполагают, что переосмысленный кандидат на роль темной материи может быть причиной необъяснимых химических реакций, происходящих в Млечном Пути.

Доктор Шьям Баладжи, научный сотрудник Королевского колледжа Лондона и один из ведущих авторов исследования, объясняет: «В центре нашей галактики находятся огромные облака положительно заряженного водорода, что десятилетиями оставалось загадкой для ученых, поскольку обычно этот газ нейтрален. Так что же обеспечивает достаточно энергии, чтобы выбить отрицательно заряженные электроны из этих облаков?

Энергетические сигнатуры, исходящие из этой части нашей Галактики, указывают на то, что существует постоянный и бурный источник энергии, который делает именно это, и наши данные говорят, что он может исходить от гораздо более легкой формы темной материи, чем предполагают текущие модели».

Наиболее устоявшаяся теория о темной материи предполагает, что она, вероятно, состоит из частиц, известных как «слабовзаимодействующие массивные частицы» (WIMPs), которые проходят через обычную материю, почти не взаимодействуя с ней, что делает их крайне сложными для обнаружения.

Однако это исследование, опубликованное сегодня в журнале Physical Review Letters, возможно, возродило интерес к другому типу темной материи, имеющей гораздо меньшую массу, чем WIMPs.

Исследователи считают, что эти крошечные частицы темной материи сталкиваются друг с другом и производят новые заряженные частицы в процессе, называемом «аннигиляцией». Эти вновь образованные заряженные частицы могут затем ионизировать водородный газ.

Предыдущие попытки объяснить этот процесс ионизации основывались на космических лучах — быстрых и энергичных частицах, которые путешествуют по Вселенной.

Однако это объяснение столкнулось с трудностями, поскольку энергетические сигнатуры, зафиксированные при наблюдениях Центральной молекулярной зоны (CMZ), где это происходит, кажутся недостаточно мощными, чтобы их можно было объяснить космическими лучами.

Такой процесс также кажется невозможным с WIMPs.

Исследовательская группа пришла к выводу, что источник энергии, вызывающий аннигиляцию, медленнее, чем космические лучи, и менее массивен, чем WIMPs.

Доктор Баладжи сказал: «Поиск темной материи — это крупнейшая охота в науке, но многие эксперименты проводятся на Земле. Используя газ в CMZ для другого типа наблюдений, мы можем получить доступ к самому источнику. Данные говорят нам, что темная материя может быть гораздо легче, чем мы думали».

«Поиск темной материи — одна из важнейших задач фундаментальной науки, но многие эксперименты проводятся на Земле, ожидая, что темная материя сама придет к ним. Наблюдая за центром Млечного Пути, водородный газ в CMZ указывает на то, что мы, возможно, ближе к идентификации доказательств возможной природы темной материи».

Это открытие может одновременно объяснить и другие загадки нашей Галактики, такие как специфический тип рентгеновского излучения, обнаруженного в центре Млечного Пути, известный как «линия излучения 511 кэВ». Эта конкретная энергетическая сигнатура также может быть результатом столкновений той же низкомассовой темной материи и образования заряженных частиц.

Дополнительная информация

• Что такое аннигиляция частиц и как она связана с темной материей? - Аннигиляция — это процесс, при котором частица и её античастица сталкиваются, превращаясь в энергию. Темная материя может состоять из частиц, которые аннигилируют, создавая наблюдаемые сигналы, такие как гамма-излучение.

• Почему водородный газ в центре галактики обычно нейтрален, и что делает его положительно заряженным? - Водородный газ в центре галактики обычно нейтрален из-за низкой энергии. Однако под воздействием интенсивного излучения или столкновений он может ионизироваться, становясь положительно заряженным.

• Что такое линия излучения 511 кэВ и почему она важна для изучения темной материи? - Линия излучения 511 кэВ возникает при аннигиляции электронов и позитронов. Она важна для изучения темной материи, так как может указывать на процессы, связанные с её распадом или взаимодействием.

• Какие эксперименты на Земле проводятся для поиска темной материи, и почему они ограничены? - Эксперименты по поиску темной материи используют чувствительные детекторы, такие как криогенные установки или сцинтилляционные детекторы. Они ограничены, потому что темная материя слабо взаимодействует с обычной материей, что делает её обнаружение крайне сложным.

Полная версия:: Mysterious phenomenon at center of galaxy could reveal new kind of dark matter

Прорыв с использованием света позволяет точно настраивать квантовые точки.

Исследователи из Университета Северной Каролины продемонстрировали новую технологию, которая использует свет для настройки оптических свойств квантовых точек, делая процесс быстрее, энергоэффективнее и экологически устойчивее, без ущерба для качества материала.

«Открытие квантовых точек принесло Нобелевскую премию по химии в 2023 году, поскольку они используются во множестве приложений», — говорит Милад Аболхасани, автор статьи о работе и профессор химической и биомолекулярной инженерии ALCOA в NC State.

«Мы используем их в светодиодах, солнечных элементах, дисплеях, квантовых технологиях и так далее. Чтобы настроить их оптические свойства, необходимо настроить ширину запрещённой зоны квантовых точек — минимальную энергию, необходимую для перевода электрона из связанного состояния в свободное, — поскольку это напрямую определяет цвет света, который они излучают.

«Существующие методы настройки запрещённой зоны перовскитных квантовых точек основаны на химических модификациях или высокотемпературных реакциях, которые требуют больших затрат энергии и могут приводить к неоднородностям в конечных свойствах материала», — говорит Аболхасани.

«Наш новый подход использует свет для запуска реакции, что требует меньше энергии и позволяет нам быть невероятно точными».

Для этой работы исследователи начали с зелёных перовскитных квантовых точек и поместили их в раствор, содержащий хлор или йод.

Затем этот раствор пропускается через микрофлюидную систему, которая включает источник света.

Микрофлюидная среда обеспечивает точный контроль реакции за счёт равномерного воздействия света на небольшие объёмы раствора, примерно 10 микролитров на каплю.

Это важно, потому что небольшой объём раствора позволяет свету проникать через весь образец, и фотохимические реакции происходят очень быстро по всему образцу.

Свет затем запускает реакции, которые заставляют зелёные перовскитные квантовые точки смещаться ближе к синему концу спектра, когда в растворителе присутствует хлор, и ближе к красному концу спектра, когда в растворителе присутствует йод.

«Мы можем контролировать ширину запрещённой зоны, регулируя количество энергии, которое мы вводим в образец, а количество энергии мы контролируем с помощью света», — говорит Аболхасани.

«Это позволяет нам очень точно настраивать запрещённую зону.

«И хотя мы работаем с небольшими объёмами реакций, сам процесс происходит очень быстро, что в конечном итоге позволяет производить перовскитные квантовые точки с настроенной запрещённой зоной более эффективно, чем это было возможно с предыдущими методами», — объясняет Аболхасани.

«Это устойчивый способ производства высококачественных перовскитных квантовых точек с использованием света. Сейчас мы работаем над масштабированием процесса для создания перовскитных квантовых точек, которые можно использовать в оптоэлектронных устройствах».

Дополнительная информация

• Как именно свет влияет на ширину запрещённой зоны в квантовых точках? - Свет может вызывать переходы электронов между энергетическими уровнями, что приводит к изменению ширины запрещённой зоны. Это явление известно как фотоэффект.

• Какие преимущества микрофлюидной системы по сравнению с традиционными методами настройки квантовых точек? - Микрофлюидные системы позволяют более точно контролировать условия синтеза, такие как температура и концентрация реагентов, что приводит к более однородным и качественным квантовым точкам.

• Какие оптоэлектронные устройства могут использовать перовскитные квантовые точки с настроенной запрещённой зоной? - Перовскитные квантовые точки могут использоваться в солнечных элементах, светодиодах (LED) и фотодетекторах благодаря их настраиваемым оптическим свойствам.

Полная версия:: Light-powered breakthrough enables precision tuning of quantum dots

Использование коррозии: ученые превращают деаллоирование в устойчивое проектирование легких сплавов.

Аллоирование, искусство смешивания металлов с другими элементами, долгое время было краеугольным камнем материаловедения и металлургии, создавая материалы с заданными свойствами. В отличие от этого, деаллоирование известно в основном как коррозионный процесс, который со временем разрушает материалы, избирательно удаляя элементы и ослабляя их структуру. Теперь исследователи из Института устойчивых материалов Макса Планка (MPI-SusMat) превратили эти два, казалось бы, противоположных процесса в инновационную концепцию гармоничного синтеза. Их исследование, опубликованное в журнале Science Advances, демонстрирует, как деаллоирование и аллоирование можно гармонизировать для создания легких, наноструктурированных пористых мартенситных сплавов без выбросов CO₂ и с экономией энергии.

Микроструктура металлических сплавов определяется расположением атомов в кристаллической решетке, причем их позиции и химический состав критически важны для свойств материала. Традиционное деаллоирование естественным образом удаляет атомы из этой решетки, вызывая деградацию. Но команда MPI-SusMat задалась революционным вопросом: что, если мы сможем использовать деаллоирование для создания полезных микроструктур?

«Мы стремились использовать процесс деаллоирования для удаления кислорода из структуры решетки, модулируя пористость за счет создания и агрегации кислородных вакансий», — объясняет доктор Шаолу Вэй, научный сотрудник программы Гумбольдта в MPI-SusMat и первый автор публикации. «Этот метод открывает новые пути для проектирования легких, высокопрочных материалов». В основе их подхода лежит реактивное деаллоирование в газовой фазе — техника, которая удаляет атомы кислорода из структуры решетки с использованием реактивной газовой атмосферы. В этом процессе атмосфера «притягивает» кислород, избирательно извлекая его из основной решетки. При этом атмосфера состоит из аммиака, который действует как восстановитель (благодаря содержанию водорода) и донор интерстициального азота, заполняя пустоты в решетке для улучшения свойств материала. «Двойная роль аммиака — удаление кислорода и добавление азота — является ключевым новшеством в нашем подходе, поскольку она определяет конкретные роли для всех атомов обоих реакционных партнеров», — говорит профессор Дирк Раабе, управляющий директор MPI-SusMat и автор-корреспондент исследования.

Четыре ключевых металлургических процесса в одном шаге

Прорыв команды заключается в интеграции четырех ключевых металлургических процессов в один этап реактора:

1. Деаллоирование оксидов: удаление кислорода из решетки для создания избыточной пористости с одновременным восстановлением металлических руд водородом.
2. Субституционное аллоирование: стимулирование твердотельной взаимодиффузии между металлическими элементами после полного удаления кислорода.
3. Интерстициальное аллоирование: введение азота из газовой фазы в основную решетку полученных металлов.
4. Фазовое превращение: активация термически индуцированного мартенситного превращения, наиболее перспективного пути для наноструктурирования.

Эта стратегия синтеза не только упрощает производство сплавов, но и предлагает устойчивый подход, используя оксиды в качестве исходных материалов и реактивные газы, такие как аммиак или даже отходы промышленных процессов. Благодаря использованию водорода в качестве восстановителя и энергоносителя вместо углерода весь процесс деаллоирования-аллоирования не выделяет CO₂, а единственным побочным продуктом является вода. Термодинамическое моделирование демонстрирует осуществимость этой техники для таких металлов, как железо, никель, кобальт и медь.

Устойчивое проектирование легких материалов через инженерию микроструктуры

Полученные наноструктурированные пористые мартенситные сплавы легче и прочнее благодаря точному контролю микроструктуры от миллиметрового до атомного масштаба. Традиционно достижение такой пористости требовало трудоемких и энергозатратных процессов. В отличие от этого, новая стратегия ускоряет формирование пористости, одновременно позволяя вводить интерстициальные элементы, такие как азот, которые повышают прочность и функциональность материала.

Будущие применения могут варьироваться от легких структурных компонентов до функциональных устройств, таких как железо-нитридные магниты, которые могут превзойти редкоземельные магниты по производительности. В перспективе исследователи планируют расширить свой подход, используя нечистые промышленные оксиды и альтернативные реактивные газы. Это может революционизировать производство сплавов, снизив зависимость от редкоземельных материалов и высокочистого сырья, что соответствует глобальным целям устойчивого развития.

С этой инновационной стратегией деаллоирования-аллоирования команда MPI-SusMat продемонстрировала, как переосмысление традиционных процессов может привести к трансформационным достижениям в материаловедении. Сочетая устойчивость с передовой инженерией микроструктуры, они прокладывают путь к новой эре проектирования сплавов.

Исследование финансировалось стипендией Шаолу Вэй от Фонда Александра фон Гумбольдта, грантом Европейского исследовательского совета для Дирка Раабе и грантом на сотрудничество между Обществами Макса Планка и Фраунгофера для команды.

Дополнительная информация

• Как работает реактивное деаллоирование в газовой фазе? - Реактивное деаллоирование в газовой фазе происходит путем взаимодействия реактивных газов (например, аммиака или водорода) с металлическими сплавами, что приводит к разделению сплава на отдельные компоненты.
• Какие преимущества дает использование аммиака в процессе деаллоирования? - Аммиак является экологически чистым и доступным реагентом, который может эффективно восстанавливать оксиды металлов и способствовать разделению сплавов.
• Какие металлы могут быть использованы в этой технологии, помимо железа, никеля, кобальта и меди? - В этой технологии также могут использоваться титан, алюминий, цинк и другие металлы, которые способны взаимодействовать с реактивными газами.
• Какие промышленные отходы могут быть использованы в качестве реактивных газов? - Промышленные отходы, такие как углекислый газ (CO₂) или оксиды азота (NOₓ), могут быть переработаны и использованы в качестве реактивных газов.
• Как мартенситное превращение влияет на свойства сплавов? - Мартенситное превращение увеличивает твердость и прочность сплавов, что может быть полезно для улучшения их механических свойств после деаллоирования.
• Какие глобальные цели устойчивого развития поддерживает эта технология? - Эта технология поддерживает цели устойчивого развития, такие как устойчивое производство (цель 12), сокращение отходов (цель 12) и использование возобновляемых ресурсов (цель 7).

Полная версия:: Harnessing corrosion: Scientists transform dealloying into sustainable lightweight alloy design

Чистый водород за минуты: микроволны обеспечивают быструю чистую энергию

Междисциплинарная команда POSTECH под руководством профессора Гунсу С. Юна, докторанта Джемина Ю (кафедра физики, отделение передовой ядерной инженерии), профессора Хёнгю Джина и докторанта Донгкю Ли (кафедра машиностроения) разработала революционную технологию, которая решает ключевые ограничения в производстве чистого водорода с использованием микроволн. Они также успешно объяснили механизм, лежащий в основе этого инновационного процесса. Их результаты, опубликованные на обложке журнала Journal of Materials Chemistry A, знаменуют собой важный шаг в поиске устойчивой энергии.

По мере того как мир отходит от ископаемого топлива, чистый водород стал ведущим кандидатом на роль энергии следующего поколения благодаря нулевым выбросам углерода.

Однако существующие технологии производства водорода сталкиваются с серьезными препятствиями.

Традиционные термохимические методы, которые основаны на окислительно-восстановительных реакциях оксидов металлов, требуют чрезвычайно высоких температур до 1500°C. Эти методы не только энергоемки и дороги, но и сложны для масштабирования, что ограничивает их практическое применение.

Чтобы решить эти проблемы, команда POSTECH обратилась к знакомому, но недостаточно используемому источнику энергии: микроволнам, тому же источнику, который используется в бытовых микроволновых печах.

Хотя микроволны обычно ассоциируются с разогревом пищи, они также могут эффективно запускать химические реакции.

Исследователи продемонстрировали, что микроволновая энергия может снизить температуру восстановления церия, легированного гадолинием (CeO2) — эталонного материала для производства водорода — до уровня ниже 600°C, сократив требуемую температуру более чем на 60%.

Примечательно, что микроволновая энергия смогла заменить 75% тепловой энергии, необходимой для реакции, что стало прорывом в устойчивом производстве водорода.

Еще одно важное достижение заключается в создании "кислородных вакансий" — дефектов в структуре материала, которые необходимы для разделения воды на водород.

Традиционные методы часто требуют нескольких часов при чрезвычайно высоких температурах для формирования этих вакансий.

Команда POSTECH достигла тех же результатов всего за несколько минут при температурах ниже 600°C, используя микроволновую технологию.

Этот быстрый процесс был дополнительно подтвержден термодинамической моделью, которая дала ценное понимание механизма, лежащего в основе микроволновой реакции.

Профессор Хёнгю Джин заявил: "Это исследование имеет потенциал революционизировать коммерческую жизнеспособность термохимических технологий производства водорода. Оно также проложит путь для разработки новых материалов, оптимизированных для химических процессов, управляемых микроволнами". Профессор Гунсу Юн добавил: "Введение нового механизма, работающего на микроволнах, и преодоление ограничений существующих процессов — это значительные достижения, ставшие возможными благодаря тесному междисциплинарному сотрудничеству нашей исследовательской команды".

Это исследование было поддержано Программой инновационных наук и технологий Фонда Circle, Программой поддержки исследователей среднего уровня Министерства науки и ИКТ, Институтом фундаментальных наук POSTECH и Министерством торговли, промышленности и энергетики.

Примечания:

1. Микроволны

Электромагнитные волны с частотой от 300 МГц до 300 ГГц.

Они обычно используются для передачи энергии или нагрева материалов в беспроводной связи, радиолокационных системах и микроволновых печах.

2. Кислородная вакансия

Состояние, при котором атом кислорода отсутствует в материале, оставляя пустое место. Эта вакансия может играть критическую роль в усилении потока электронов или химической реактивности.

Дополнительная информация

• Как микроволны влияют на химические реакции, отличные от нагрева? - Микроволны могут ускорять химические реакции за счет не-тепловых эффектов, таких как прямое взаимодействие с молекулами, что приводит к изменению их энергетических состояний.
• Какие другие материалы, кроме церия, легированного гадолинием, могут быть использованы для производства водорода с помощью микроволн? - Оксиды титана, циркония и никеля также могут использоваться в качестве катализаторов для производства водорода под действием микроволн.
• Как кислородные вакансии влияют на эффективность других химических процессов, кроме разделения воды? - Кислородные вакансии могут улучшать каталитические свойства материалов в процессах окисления углеводородов и восстановления оксидов азота.
• Какие еще технологии могут снизить температуру химических реакций, кроме микроволн? - Фотохимия, электрокатализ и использование наночастиц могут снижать температуру химических реакций, делая их более энергоэффективными.
• Какие еще примеры успешного междисциплинарного сотрудничества в науке? - Примеры включают биоинформатику (биология и информатика), нанотехнологии (физика, химия и инженерия) и квантовую физику (физика и математика).

Полная версия:: Clean hydrogen in minutes: Microwaves deliver clean energy faster

Новая технология "одного котла" стала прорывом в синтезе материалов.

Новая технология, разработанная в Школе молекулярной инженерии Прицкера Чикагского университета, позволяет одновременно создавать неорганические и полимерные электролиты для батарей в одной ёмкости. Этот метод "одного котла" in-situ создает контролируемую однородную смесь, сочетая проводимость неорганических твердых веществ с гибкостью полимеров.

Создание электролитов для батарей — компонента, который переносит заряженные частицы между двумя электродами батареи — всегда было компромиссом.

Твердотельные неорганические электролиты перемещают частицы чрезвычайно эффективно, но их твердость и неорганическая природа делают их хрупкими, сложными в обработке и трудными для бесшовного соединения с электродами. Полимерные электролиты, напротив, легко обрабатывать, но они хуже проводят заряженные ионы.

Смешивание двух типов для создания гибридных электролитов дает неоднозначные результаты.

"Есть дилемма. Является ли гибрид лучшим из двух миров с точки зрения высокой ионной проводимости неорганического материала и хороших механических свойств полимера, или это сочетание их худших свойств?" — сказал ассистент профессора Чибуезе Аманчукву из Школы молекулярной инженерии Прицкера Чикагского университета (UChicago PME).

Новая технология, разработанная в лаборатории Аманчукву, позволяет одновременно создавать неорганические и полимерные электролиты в одной ёмкости. Этот метод "одного котла" in-situ создает контролируемую однородную смесь, сочетая проводимость неорганических твердых веществ с гибкостью полимеров.

"Когда вы создаете литиевые металлические батареи, метод in-situ значительно превосходит метод физического смешивания", — сказал Аманчукву.

Их работа была опубликована в журнале Chemistry of Materials.

Хотя исследование было сосредоточено на электролитах для батарей, новая технология окажет влияние на исследования в области полупроводников, электроники, промышленных покрытий, герметиков и других областей, где используются гибридные материалы.

"Допустим, вам нужно что-то, что хорошо растягивается и может изгибаться — например, носимые электронные устройства. Вы можете спроектировать полимер так, чтобы он обладал механической гибкостью", — сказала первый автор исследования Приядаршини Мирмира, PhD'24.

Объединение потоков

Создание гибридных материалов в настоящее время включает два потока синтеза. Неорганические и полимерные материалы создаются отдельно, даже если оба синтезируются одновременно, а затем требуется дополнительное время для смешивания двух материалов.

В лаборатории это неудобство, но на масштабах массового производства, необходимых для промышленности, это становится экономическим препятствием.

"С промышленной точки зрения это действительно сложно и дорого масштабировать", — сказала Мирмира. "Если вы можете создать оба материала в одном котле, вы сокращаете трудозатраты, необходимые для создания гибридного материала".

Смешивание высокотехнологичных синтетических материалов имеет те же проблемы, что и смешивание овсянки — комки. Комковатая смесь означает неэффективные батареи, сгущенные герметики и менее полезные электронные устройства.

"Я сделал порошок, керамику, я сделал полимер, давайте смешаем их", — сказал Аманчукву. "Проблема в том, что делает смесь хорошей? Хотите ли вы хорошего смешивания? Или нет? Агломерируют ли частицы? Или нет?"

Создание материалов вместе в одном котле не только создает идеальную физическую смесь, но и команда также наблюдала химическое соединение некоторых материалов.

"Для некоторых комбинаций неорганического прекурсора и полимерного прекурсора мы увидели свидетельства сшивания, то есть химической связи между неорганическим материалом и полимером", — сказал Аманчукву. "Это просто новая химия материалов, которая нас вдохновила".

Множество применений

Исследование было сосредоточено на литиевых батареях, поскольку они наиболее распространены в электромобилях, накопителях энергии и других приложениях. Но технология также может работать с натриевыми батареями, которые развиваются как более дешевая и доступная альтернатива литию.

"Это действительно вопрос замены одного из реагентов в неорганическом материале, чтобы сделать его пригодным для натриевой батареи", — сказала Мирмира.

Масштабирование процесса "одного котла" до уровней, необходимых для промышленного производства, потребует "нескольких различных настроек", сказала Мирмира. Процесс должен быть полностью безвоздушным, для начала, проводиться под аргоном или другим инертным газом. Это легче поддерживать в лаборатории, чем на заводе.

Во-вторых, котел нагревается. Достижение промышленных уровней потребует точной настройки — сосуд должен нагреваться достаточно для синтеза полимера, но не настолько, чтобы превысить температуру деградации материалов.

"Когда вы масштабируете эту реакцию, у вас будет больше материала, сосуд будет нагреваться еще сильнее", — сказала Мирмира. "Так что вам нужно беспокоиться о контроле температуры".

Как только эти препятствия будут преодолены, исследование приведет к созданию идеальных однородных гибридов, созданных экономически и химически эффективным способом.

"Такой контроль, возможность создания полностью интегрированного неорганического полимерного материала, был вызовом, который мы пытались решить, и это довольно круто, что нам удалось этого достичь", — сказала Мирмира.

Дополнительная информация

• Какие преимущества дает химическое сшивание неорганических и полимерных материалов в гибридных электролитах? - Химическое сшивание улучшает механическую прочность, стабильность и ионную проводимость материалов, что делает их более эффективными для использования в батареях.
• Какие конкретные проблемы возникают при масштабировании технологии "одного котла" для промышленного производства? - Основные проблемы включают сложность контроля качества, высокие затраты на оборудование и необходимость оптимизации процессов для больших объемов.
• Какие альтернативные материалы, кроме лития и натрия, могут быть использованы в этой технологии? - Альтернативные материалы включают калий, магний и алюминий, которые могут предложить более низкую стоимость и лучшую доступность.
• Как технология "одного котла" может повлиять на разработку носимых электронных устройств? - Технология может сделать носимые устройства более компактными, легкими и энергоэффективными, что улучшит их удобство и производительность.
• Какие инертные газы, кроме аргона, могут быть использованы для создания безвоздушной среды в процессе синтеза? - Другие инертные газы включают гелий, неон и криптон, которые также обеспечивают стабильную среду для синтеза.
• Какие механические свойства полимеров делают их подходящими для гибридных электролитов? - Полимеры обладают гибкостью, высокой прочностью на разрыв и хорошей химической стабильностью, что делает их идеальными для использования в гибридных электролитах.
• Какие другие области, кроме батарей и электроники, могут выиграть от применения технологии "одного котла"? - Технология может быть полезна в медицине (например, для создания биосовместимых материалов), аэрокосмической промышленности и производстве композитов.

Полная версия:: New 'one-pot' technique a breakthrough for material synthesis

Ученые используют ИИ для лучшего понимания наночастиц.

Команда ученых разработала метод, позволяющий визуализировать динамическое поведение наночастиц, которые являются основополагающими компонентами в создании фармацевтических препаратов, электроники, а также промышленных и энергетических материалов. Этот прорыв, описанный в журнале Science, сочетает искусственный интеллект с электронной микроскопией, чтобы показать, как эти крошечные частицы материи реагируют на внешние воздействия.

"Каталитические системы на основе наночастиц оказывают огромное влияние на общество", — объясняет Карлос Фернандес-Гранда, директор Центра науки о данных Нью-Йоркского университета и профессор математики и науки о данных, один из авторов статьи.

"По оценкам, 90% всех производимых продуктов включают каталитические процессы на каком-то этапе производственной цепочки. Мы разработали метод искусственного интеллекта, который открывает новое окно для изучения динамики атомной структуры материалов."

Исследование, в котором также участвовали ученые из Университета штата Аризона, Корнеллского университета и Университета Айовы, объединяет электронную микроскопию с ИИ, позволяя ученым наблюдать структуры и движения молекул размером в одну миллиардную метра с беспрецедентным временным разрешением.

"Электронная микроскопия может захватывать изображения с высоким пространственным разрешением, но из-за скорости, с которой атомная структура наночастиц изменяется во время химических реакций, нам необходимо собирать данные с очень высокой скоростью, чтобы понять их функциональность", — объясняет Питер А. Крозье, профессор материаловедения и инженерии Университета штата Аризона и один из авторов статьи.

"Это приводит к чрезвычайно зашумленным измерениям. Мы разработали метод искусственного интеллекта, который учится удалять этот шум — автоматически — позволяя визуализировать ключевые атомные динамики."

Наблюдение за движением атомов на наночастицах имеет решающее значение для понимания их функциональности в промышленных приложениях.

Проблема заключается в том, что атомы едва различимы в данных, поэтому ученые не могут быть уверены в их поведении — это похоже на попытку отследить объекты на видео, снятом ночью с помощью старой камеры.

Чтобы решить эту задачу, авторы статьи обучили глубокую нейронную сеть, вычислительный механизм ИИ, которая способна "осветить" изображения, полученные с помощью электронного микроскопа, раскрывая лежащие в основе атомы и их динамическое поведение.

"Природа изменений в частицах исключительно разнообразна, включая периоды флуктуаций, проявляющиеся как быстрые изменения в атомной структуре, форме частиц и их ориентации; понимание этой динамики требует новых статистических инструментов", — объясняет Дэвид С. Маттесон, профессор и заместитель заведующего кафедрой статистики и науки о данных Корнеллского университета, директор Национального института статистических наук и один из авторов статьи.

"Это исследование представляет новую статистическую методику, которая использует топологический анализ данных для количественной оценки флуктуаций и отслеживания стабильности частиц при их переходе между упорядоченными и неупорядоченными состояниями."

Исследование было поддержано грантами Национального научного фонда (OAC-1940263, OAC-2104105, CBET 1604971, DMR 184084, CHE 2109202, OAC-1940097, OAC-2103936, OAC-1940124, DMS-2114143).

Дополнительная информация

• Как наночастицы влияют на эффективность каталитических процессов в промышленности? - Наночастицы увеличивают площадь поверхности катализатора, что позволяет ускорить химические реакции и повысить их эффективность.
• Какие ограничения существуют у традиционной электронной микроскопии при изучении наночастиц? - Традиционная электронная микроскопия может не обеспечивать достаточное разрешение для изучения очень мелких наночастиц или их динамики, что ограничивает возможности анализа.
• Как топологический анализ данных помогает в изучении динамики наночастиц? - Топологический анализ позволяет визуализировать и анализировать сложные структуры и движения наночастиц, что помогает понять их поведение и взаимодействие.
• Какие еще проекты финансируются Национальным научным фондом в области нанотехнологий? - Национальный научный фонд финансирует проекты, связанные с разработкой новых материалов, медицинских нанотехнологий, а также энергетических решений, таких как наноразмерные солнечные элементы.

Полная версия:: Scientists use AI to better understand nanoparticles

Нанотехнологии, вдохновленные мозгом, открывают новую эру в электронике.

Представьте себе будущее, в котором ваш телефон, компьютер или даже крошечное носимое устройство могут думать и учиться, как человеческий мозг, — обрабатывая информацию быстрее, умнее и с меньшими затратами энергии.

Прорывной подход, разработанный в Университете Флиндерса и Университете Нового Южного Уэльса (UNSW) в Сиднее, приближает это видение к реальности, позволяя электрически "скручивать" одну наномасштабную ферроэлектрическую доменную стенку.

Доменные стенки — это почти невидимые, чрезвычайно маленькие (1–10 нм) границы, которые естественным образом возникают или даже могут быть внедрены или удалены внутри специальных изолирующих кристаллов, называемых сегнетоэлектриками. Эти стенки внутри кристаллов разделяют области с различной ориентацией связанных зарядов.

Что еще важнее, эти крошечные границы, несмотря на то что они находятся внутри изолирующих кристаллов, могут действовать как каналы для регулирования потока электронов и, таким образом, способны хранить и обрабатывать информацию, как в человеческом мозге, говорит старший преподаватель физики Университета Флиндерса доктор Панкадж Шарма, ведущий и ответственный автор новой статьи в журнале Американского химического общества (ACS).

Почему это важно? Устройства, имитирующие человеческий мозг, позволяют быстрее обрабатывать огромные объемы информации, используя при этом гораздо меньше энергии по сравнению с существующими цифровыми компьютерами, особенно для таких задач, как распознавание изображений и голоса, говорят исследователи.

"С этим новым дизайном ферроэлектрические доменные стенки в кристаллических сегнетоэлектрических материалах готовы стать основой нового поколения адаптируемых запоминающих устройств, приближая нас к более быстрой, экологичной и умной электронике", — говорит доктор Шарма. "Наши результаты подтверждают потенциал ферроэлектрических доменных стенок для нейроморфных вычислений, вдохновленных мозгом, и приложений для вычислений в памяти на основе интегрированных сегнетоэлектрических устройств."

"В нашем исследовании одна ферроэлектрическая доменная стенка была контролируемо внедрена и спроектирована для имитации поведения мемристора. Применяя электрические поля, мы тщательно управляем формой и положением этой стенки, заставляя ее изгибаться и деформироваться."

"Это контролируемое движение приводит к изменениям электронных свойств стенки, раскрывая ее способность хранить и обрабатывать данные на разных уровнях."

Новое исследование показывает, как ферроэлектрические доменные стенки, соединяющие два терминальных устройства (см. изображение ниже), могут функционировать как "мемристоры" — устройства, которые могут хранить информацию на различных уровнях и запоминать историю своей электрической активности, подобно синапсам в человеческом мозге.

Соавтор исследования, профессор UNSW Ян Зайдель, говорит: "Ключ кроется во взаимодействии между закреплением стенки на поверхности (где она фиксирована) и ее свободой скручиваться или деформироваться глубже внутри материала."

"Эти контролируемые деформации создают спектр электронных состояний, позволяя многоуровневое хранение данных, и устраняют необходимость повторного внедрения или удаления стенки, делая устройства более стабильными и надежными", — добавляет он.

Используя передовую микроскопию и теоретическое фазовое моделирование, это исследование раскрывает физику, лежащую в основе электронных переходов, вызванных деформацией доменных стенок.

Соавтор исследования, профессор UNSW Валанур Нагараджан, добавляет: "Эти новые высоковоспроизводимые и энергоэффективные устройства на основе доменных стенок могут революционизировать нейроморфные вычисления — системы, вдохновленные мозгом, которые обещают изменить искусственный интеллект и обработку данных."

Дополнительная информация

• Как ферроэлектрические доменные стенки могут имитировать синапсы в человеческом мозге? - Ферроэлектрические доменные стенки могут изменять свои свойства под воздействием внешних сигналов, что позволяет им имитировать поведение синапсов, которые изменяют свою проводимость в ответ на стимулы.
• Какие преимущества нейроморфные вычисления имеют перед традиционными цифровыми компьютерами? - Нейроморфные вычисления более энергоэффективны и лучше справляются с задачами, требующими обучения и адаптации, благодаря своей способности обрабатывать информацию параллельно, как это делает человеческий мозг.
• Как мемристоры могут хранить информацию на разных уровнях? - Мемристоры могут изменять свое сопротивление в зависимости от приложенного напряжения, что позволяет хранить информацию в аналоговой форме на разных уровнях сопротивления.
• Какие материалы, кроме сегнетоэлектриков, могут использоваться для создания доменных стенок? - Кроме сегнетоэлектриков, доменные стенки могут формироваться в мультиферроиках и магнитных материалах, которые также обладают свойствами, необходимыми для создания таких структур.
• Какие практические применения могут иметь энергоэффективные устройства на основе доменных стенок? - Устройства на основе доменных стенок могут использоваться для создания энергоэффективной памяти, нейроморфных процессоров и других технологий, требующих высокой производительности при низком энергопотреблении.

Полная версия:: Brain-inspired nanotech points to a new era in electronics

Поиск сверхпроводников, работающих при комнатной температуре.

Теоретические физики выяснили, что сверхпроводимость при комнатной температуре возможна в рамках законов нашей Вселенной и связана с фундаментальными константами, такими как масса электрона и постоянная Планка. Это открытие может революционизировать энергетику, квантовые вычисления и медицинские технологии, позволив сверхпроводникам работать в обычных условиях. Исследование изучает, как изменение фундаментальных констант может повлиять на пределы сверхпроводимости, предлагая взгляд на тонкий баланс нашей Вселенной.

В новом исследовании, которое может помочь переопределить будущее технологий, группа физиков раскрыла фундаментальное понимание верхнего предела температуры сверхпроводимости.

Это открытие, принятое к публикации в журнале Journal of Physics: Condensed Matter, предполагает, что сверхпроводимость при комнатной температуре — долгое время считавшаяся "святым Граалем" физики конденсированных сред — действительно возможна в рамках законов нашей Вселенной.

Сверхпроводники, материалы, способные проводить электричество без сопротивления, имеют потенциал для революции в передаче энергии, медицинской визуализации и квантовых вычислениях.

Однако до сих пор они функционировали только при крайне низких температурах, что делало их непрактичными для широкого использования.

Гонка за созданием сверхпроводника, работающего в обычных условиях, была одной из самых интенсивных и неуловимых задач современной науки.

В своей последней работе профессор Костя Траченко из Университета Королевы Марии в Лондоне и его коллеги показали, что верхний предел температуры сверхпроводимости TC тесно связан с фундаментальными константами природы — массой электрона, зарядом электрона и постоянной Планка.

Эти константы управляют всем: от стабильности атомов до формирования звезд и синтеза углерода и других элементов, необходимых для жизни.

Результаты исследования показывают, что верхний предел температуры сверхпроводимости варьируется от сотен до тысячи кельвинов — диапазон, который включает комнатную температуру.

"Это открытие говорит нам, что сверхпроводимость при комнатной температуре не исключена фундаментальными константами", — сказал профессор Пикард из Кембриджского университета, соавтор исследования. "Оно дает ученым надежду: мечта все еще жива".

Результаты уже были независимо подтверждены в отдельном исследовании, что добавляет вес выводам команды.

Но последствия идут еще дальше. Изучая, как различные значения этих фундаментальных констант могут изменить пределы сверхпроводимости, исследователи открыли увлекательное окно в природу нашей Вселенной.

Представьте мир, где фундаментальные константы имеют другие значения, и верхний предел TC составляет всего миллионную долю кельвина. В такой Вселенной сверхпроводимость была бы необнаружима, и мы никогда бы о ней не узнали. Напротив, во Вселенной, где предел составляет миллион кельвинов, сверхпроводники были бы повсеместны — даже в вашем электрическом чайнике.

"Проводник бы сверхпроводил, вместо того чтобы нагреваться", — объясняет профессор Траченко. "Кипячение воды для чая стало бы совсем другой задачей".

Таким образом, сама причина, по которой научное сообщество стремится создать сверхпроводник, работающий при комнатной температуре, заключается в том, что наши фундаментальные константы устанавливают верхний предел TC в диапазоне 100–1000 К (диапазон планетарных условий), где наша "комнатная" температура находится.

Это исследование не только углубляет наше понимание сверхпроводимости, но и подчеркивает тонкий баланс констант, которые делают нашу Вселенную — и жизнь в ней — возможной. Для ученых и инженеров эта работа также дает новое чувство направления. "Тот факт, что сверхпроводимость при комнатной температуре теоретически возможна, учитывая константы нашей Вселенной, обнадеживает", — добавляют профессора Траченко и Пикард. "Это призыв продолжать исследовать, экспериментировать и расширять границы возможного".

Дополнительная информация

• Какие фундаментальные константы, помимо массы электрона, заряда электрона и постоянной Планка, могут влиять на сверхпроводимость? - На сверхпроводимость также могут влиять такие константы, как постоянная Больцмана (определяет тепловые флуктуации) и скорость света (влияет на электромагнитные взаимодействия).

• Как изменение фундаментальных констант может повлиять на другие физические явления, помимо сверхпроводимости? - Изменение констант может повлиять на ядерные реакции, гравитационные взаимодействия, структуру атомов и даже на формирование Вселенной.

• Какие технологии, помимо энергетики и медицины, могут быть революционизированы благодаря сверхпроводникам при комнатной температуре? - Сверхпроводники при комнатной температуре могут изменить транспорт (например, магнитные поезда), вычислительные технологии (квантовые компьютеры) и системы хранения данных.

• Какие эксперименты или исследования уже проводились для проверки теоретической возможности сверхпроводимости при комнатной температуре? - Исследования включают эксперименты с высокотемпературными сверхпроводниками на основе меди (купраты) и недавние работы с гидридами лантана и серы, которые демонстрируют сверхпроводимость при высоких давлениях и температурах.

• Как фундаментальные константы влияют на формирование звезд и синтез элементов? - Константы, такие как гравитационная постоянная и постоянная тонкой структуры, определяют силу гравитации и ядерных взаимодействий, что влияет на процессы звездообразования и синтеза элементов в звездах.

• Какие материалы уже демонстрируют сверхпроводимость при высоких температурах, близких к комнатной? - Материалы, такие как гидрид сероводорода (H₂S) и гидрид лантана (LaH₁₀), демонстрируют сверхпроводимость при температурах до -23°C и -13°C соответственно, хотя и при высоких давлениях.

• Как изменение фундаментальных констант может повлиять на жизнь в других вселенных? - Изменение констант может сделать невозможным существование стабильных атомов, молекул или звезд, что сделает жизнь, подобную нашей, невозможной в других вселенных.

Полная версия:: The quest for room-temperature superconductors

Сенсорика на основе одиночного кубита открывает новые горизонты в исследовании квантовых материалов.

Работая на наномасштабных уровнях, измеряемых миллиардными долями метра, команда ученых под руководством Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США (ORNL) разработала новый способ измерения высокоскоростных флуктуаций в магнитных материалах. Знания, полученные благодаря этим новым измерениям, опубликованным в журнале Nano Letters, могут быть использованы для развития технологий — от традиционных вычислений до зарождающейся области квантовых вычислений.

Многие материалы претерпевают фазовые переходы, характеризующиеся ступенчатыми изменениями важных фундаментальных свойств в зависимости от температуры. Понимание поведения материалов вблизи критической температуры перехода является ключом к разработке новых технологий, использующих уникальные физические свойства. В этом исследовании команда использовала наномасштабный квантовый сенсор для измерения спиновых флуктуаций вблизи фазового перехода в магнитной тонкой пленке. Тонкие пленки с магнитными свойствами при комнатной температуре необходимы для хранения данных, сенсоров и электронных устройств, поскольку их магнитные свойства можно точно контролировать и манипулировать.

Команда использовала специализированный инструмент, называемый сканирующим микроскопом на основе азотных вакансий (NV-центров), в Центре нанофазных материаловедения (CNMS), пользовательской лаборатории Управления науки Министерства энергетики США в ORNL. Азотная вакансия — это атомный дефект в алмазе, где атом азота замещает атом углерода, а соседний атом углерода отсутствует, создавая особую конфигурацию квантовых спиновых состояний. В микроскопе на основе NV-центров этот дефект реагирует на статические и флуктуирующие магнитные поля, что позволяет ученым детектировать сигналы на уровне одиночного спина для изучения наномасштабных структур.

«Азотная вакансия функционирует как квантовый бит, или кубит, и как высокочувствительный сенсор, который мы перемещали над тонкой пленкой для измерения температурно-зависимых изменений магнитных свойств и спиновых флуктуаций, которые невозможно измерить другими способами», — сказал Бен Лори, научный сотрудник отдела материаловедения и технологий ORNL.

Спиновые флуктуации наблюдаются, когда магнитные свойства материала, определяемые ориентацией спинов, продолжают изменять направление, а не остаются фиксированными. Команда измерила спиновые флуктуации, когда тонкая пленка проходила через фазовый переход между различными магнитными состояниями, вызванный изменением температуры образца.

Эти измерения показали, как локальные изменения в спиновых флуктуациях связаны на глобальном уровне вблизи фазовых переходов. Это наномасштабное понимание взаимодействия спинов может привести к созданию новых спиновых технологий обработки информации и более глубокому пониманию широкого класса квантовых материалов.

«Достижения в спинтронике улучшат эффективность хранения данных и вычислений. В то же время спиновые квантовые вычисления предлагают заманчивую перспективу симуляций, недоступных для классических методов, если мы научимся контролировать взаимодействие спинов с их окружением», — отметил Лори.

Этот тип исследований объединяет возможности ORNL в области квантовой информации и физики конденсированных сред. «Если мы сможем использовать современные квантовые ресурсы для получения нового понимания классических и квантовых состояний в материалах, это поможет нам разработать новые квантовые устройства с приложениями в сетях, сенсорике и вычислениях», — добавил Лори.

Исследование финансировалось программой Базовых энергетических наук Министерства энергетики США.

Дополнительная информация

• Как работает NV-центр в алмазе и почему он используется для измерения магнитных полей? - NV-центр — это дефект в кристаллической решетке алмаза, состоящий из атома азота и вакансии (отсутствующего атома углерода). Он может менять свои спиновые состояния под воздействием магнитных полей, что делает его высокочувствительным сенсором для измерения магнитных полей.
• Какие материалы, кроме алмаза, могут содержать NV-центры, и как это влияет на их применение? - NV-центры могут быть созданы в других материалах, таких как карбид кремния, но алмаз остается наиболее стабильным и удобным для квантовых измерений из-за своей высокой чистоты и низкого уровня шума.
• Какие другие методы используются для измерения спиновых флуктуаций, и чем они отличаются от NV-сенсоров? - Другие методы включают спиновый резонанс и магнитометрию. NV-сенсоры отличаются тем, что они работают при комнатной температуре и обладают высокой чувствительностью.
• Как фазовые переходы в материалах влияют на их применение в квантовых технологиях? - Фазовые переходы могут изменять магнитные или электрические свойства материалов, что важно для разработки квантовых устройств, таких как квантовые компьютеры и сенсоры.
• Какие конкретные устройства могут быть созданы на основе спиновых технологий? - На основе спиновых технологий разрабатываются квантовые компьютеры, спиновые транзисторы и высокочувствительные сенсоры для измерения магнитных полей.
• Как финансирование Министерства энергетики США влияет на развитие квантовых технологий? - Финансирование Министерства энергетики США поддерживает исследования и разработку новых квантовых технологий, ускоряя прогресс в этой области.

Полная версия:: Single-qubit sensing puts new spin on quantum materials discovery

Исследователи создали гель, способный самовосстанавливаться, как человеческая кожа.

Мы все сталкиваемся с гелями в повседневной жизни — от мягких липких веществ, которые вы наносите на волосы, до желеобразных компонентов в различных продуктах питания. Хотя человеческая кожа обладает гелеобразными характеристиками, у неё есть уникальные качества, которые очень сложно воспроизвести. Она сочетает высокую жёсткость с гибкостью и обладает замечательной способностью к самовосстановлению, часто полностью заживая в течение 24 часов после повреждения.

До сих пор искусственные гели либо могли воспроизвести эту высокую жёсткость, либо свойства самовосстановления натуральной кожи, но не оба качества одновременно.

Теперь команда исследователей из Университета Аалто и Университета Байройта впервые разработала гидрогель с уникальной структурой, которая преодолевает прежние ограничения, открывая двери для таких применений, как доставка лекарств, заживление ран, сенсоры для мягкой робототехники и искусственная кожа.

В этом прорывном исследовании учёные добавили в гидрогели, которые обычно мягкие и податливые, исключительно крупные и ультратонкие нанолисты из специфической глины.

В результате получилась высокоупорядоченная структура с плотно переплетёнными полимерами между нанолистами, что не только улучшает механические свойства гидрогеля, но и позволяет материалу самовосстанавливаться.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Materials 7 марта.

Самовосстановление через «переплетение»

Секрет материала заключается не только в упорядоченном расположении нанолистов, но и в полимерах, которые переплетены между ними, — а также в процессе, который так же прост, как выпечка.

Постдокторант Чэнь Лян смешал порошок мономеров с водой, содержащей нанолисты.

Затем смесь поместили под УФ-лампу — похожую на ту, что используется для закрепления гель-лака.

«УФ-излучение лампы заставляет отдельные молекулы связываться друг с другом, так что всё становится эластичным твёрдым телом — гелем», — объясняет Лян.

«Переплетение означает, что тонкие слои полимеров начинают скручиваться друг вокруг друга, как крошечные нити шерсти, но в случайном порядке», — добавляет Хан Чжан из Университета Аалто.

«Когда полимеры полностью переплетены, они становятся неотличимы друг от друга. Они очень динамичны и подвижны на молекулярном уровне, и когда вы их разрезаете, они снова начинают переплетаться».

Через четыре часа после разрезания ножом материал уже на 80–90% самовосстанавливается. Через 24 часа он обычно полностью восстанавливается. Более того, гидрогель толщиной в один миллиметр содержит 10 000 слоёв нанолистов, что делает материал таким же жёстким, как человеческая кожа, и придаёт ему сопоставимую степень растяжимости и гибкости.

«Жёсткие, прочные и самовосстанавливающиеся гидрогели долгое время были вызовом. Мы обнаружили механизм, который позволяет укрепить традиционно мягкие гидрогели. Это может революционизировать разработку новых материалов с био-вдохновлёнными свойствами», — говорит Чжан.

Вдохновение от природы

«Эта работа — захватывающий пример того, как биологические материалы вдохновляют нас искать новые комбинации свойств для синтетических материалов. Представьте роботов с прочной самовосстанавливающейся кожей или синтетические ткани, которые автономно восстанавливаются», — говорит Олли Иккала из Университета Аалто. И хотя до реального применения может пройти ещё некоторое время, текущие результаты представляют собой ключевой прорыв. «Это фундаментальное открытие, которое может обновить правила проектирования материалов».

Коллаборация была возглавлена доктором Хан Чжаном, профессором Олли Иккала и профессором Йозефом Брой. Синтетические нанолисты из глины были разработаны и изготовлены профессором Йозефом Брой в Университете Байройта в Германии.

Дополнительная информация

• Как именно нанолисты из глины улучшают механические свойства гидрогеля? - Нанолисты глины увеличивают прочность и эластичность гидрогеля, образуя сетчатую структуру, которая действует как "арматура".
• Какие ещё биологические материалы вдохновляют создание синтетических аналогов? - Паутина, кости, хрящи и раковины моллюсков вдохновляют создание прочных и легких синтетических материалов.
• Какие ограничения существуют у текущего гидрогеля для применения в медицине? - Ограничения включают низкую механическую прочность, ограниченную биосовместимость и сложность контроля деградации в организме.
• Как УФ-излучение влияет на процесс полимеризации в других материалах? - УФ-излучение инициирует химические реакции, которые связывают молекулы, создавая твердые или эластичные материалы.
• Какие ещё материалы могут быть использованы для создания самовосстанавливающихся гидрогелей? - Полимеры с обратимыми связями, такие как динамические ковалентные связи или водородные связи, используются для создания самовосстанавливающихся гидрогелей.

Полная версия:: Researchers create gel that can self-heal like human skin

Бесконтактные технологии: Управление тканями с помощью взмаха пальца.

Команда исследователей из Ноттингемского университета Трента (Великобритания), Центра Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR) и Свободного университета Больцано-Бозен (Италия) создала стираемые и долговечные электронные текстильные материалы с датчиками магнитного поля — первые в своем роде, как сообщается в журнале Communications Engineering. Эта технология, по словам ученых, открывает новые возможности для использования в одежде, позволяя пользователям взаимодействовать с повседневными тканями или специализированной одеждой, просто указывая пальцем на датчик.

Исследователи продемонстрировали, как они разместили крошечные гибкие и высокочувствительные магниторезистивные датчики внутри текстильных нитей, совместимых с традиционным текстильным производством.

Управление одеждой может осуществляться пользователем через различные функции с использованием кольца или перчатки, оснащенных миниатюрным магнитом.

Датчики незаметно интегрированы в ткань, что позволяет обозначить их местоположение с помощью окрашивания или вышивки, создавая бесконтактные элементы управления или "кнопки".

Эта технология, которая может быть реализована даже в виде текстильной клавиатуры, может быть интегрирована в одежду и другие текстильные изделия и работать под водой и в различных погодных условиях.

Важно отметить, что, в отличие от некоторых емкостных датчиков в текстиле и текстильных переключателей, эта технология не подвержена случайной активации.

"Интеграция этой технологии в повседневную одежду позволит людям взаимодействовать с компьютерами, смартфонами, часами и другими умными устройствами, превращая их одежду в носимый интерфейс человек-компьютер", — резюмирует доктор Денис Макаров из Института физики ионных пучков и исследования материалов HZDR.

Стираемая мода для взаимодействия человека и компьютера

Технология может быть применена в таких областях, как контроль температуры или безопасности для специализированной одежды, игр или интерактивной моды — например, позволяя пользователям использовать простые жесты для управления светодиодами или другими осветительными устройствами, встроенными в текстиль.

Кроме того, исследовательская команда продемонстрировала технологию на различных примерах использования, включая функциональный браслет, позволяющий управлять навигацией в виртуальной реальности, и самоконтролируемый ремень безопасности для мотоциклетного шлема.

"Впервые стираемые магнитные датчики были незаметно интегрированы в текстиль для использования в человеко-компьютерных взаимодействиях", — подчеркивает профессор Нико Мюнценридер из Свободного университета Больцано-Бозен.

"Наш дизайн может революционизировать электронный текстиль как для специализированной, так и для повседневной одежды", — сказал ведущий исследователь доктор Пасинду Лугода из инженерного факультета Ноттингемского университета Трента.

Он также отметил: "Тактильные датчики на текстиле имеют разную степень полезности, поскольку случайная активация происходит при трении или соприкосновении с поверхностями. Бесконтактное взаимодействие снижает износ. Важно, что наша технология разработана для повседневного использования. Она стирается в машине, долговечна и не влияет на драпировку или общий эстетический вид текстиля".

Электронный текстиль становится все более популярным благодаря широкому спектру применений, но объединение электронных функций и текстильных материалов может быть очень сложной задачей. Такие ткани эволюционировали и теперь используют мягкие и гибкие материалы, которые достаточно прочны, чтобы выдерживать стирку и изгибы, но при этом интуитивно понятны и надежны.

Дополнительная информация

• Как работают магниторезистивные датчики и чем они отличаются от других типов датчиков? - Магниторезистивные датчики используют эффект изменения сопротивления материала под действием магнитного поля. Они отличаются высокой точностью и стабильностью, что делает их идеальными для измерения положения, скорости или угла. В отличие от оптических или емкостных датчиков, они не зависят от освещения или загрязнений.

• Какие еще примеры использования бесконтактных технологий в текстиле существуют, помимо упомянутых в статье? - Бесконтактные технологии, такие как NFC и RFID, используются в умной одежде для бесконтактной оплаты, идентификации личности, отслеживания физической активности и даже для управления устройствами через смартфон.

• Какие материалы используются для создания гибких и долговечных электронных текстильных изделий? - Для создания гибких и долговечных электронных текстильных изделий используются проводящие полимеры, графен, серебряные нанопроволоки и гибкие подложки, такие как полиимид. Эти материалы обеспечивают гибкость, проводимость и устойчивость к механическим нагрузкам.

• Какие вызовы и ограничения существуют при интеграции электронных функций в текстиль? - Основные вызовы включают обеспечение долговечности электроники при стирке, механическую устойчивость к изгибам и растяжениям, а также совместимость с различными типами тканей. Кроме того, важно учитывать безопасность и комфорт для пользователя.

Полная версия:: Touchless tech: Control fabrics with a wave of your finger

Как пальцы и рост футболистов могут предсказать их физическую выносливость.

До чемпионата Европы 2025 года осталось всего несколько месяцев, и внимание к женскому футболу продолжает расти. Новое исследование с участием Университета Суонси сосредоточено на профессиональных футболистках и уровне лактата, который они вырабатывают во время физических нагрузок.

Лактат считается предпочтительным источником энергии для нервных и мышечных клеток, но его высокий уровень в крови может указывать на то, что организм находится в состоянии стресса.

Ученые пытаются выяснить, можно ли предсказать, сколько лактата выработает человек, основываясь на таких физических характеристиках, как длина пальцев и рост.

Соотношение длины указательного и безымянного пальцев, известное как 2D:4D, уже связывали с результатами в беге на длинные дистанции, возрастом при сердечном приступе и тяжестью течения COVID-19.

Профессор Джон Мэннинг из исследовательской группы Университета Суонси по прикладным спортивным технологиям, физическим упражнениям и медицине (A-STEM) сотрудничает с коллегами из Кипра, Польши и Испании, чтобы отслеживать показатели профессиональных футболистов и футболисток.

Два недавних исследования показали быстрое накопление лактата как у мужчин, так и у женщин во время тестов на беговой дорожке при скорости до 16 км/ч.

Последние результаты команды, посвященные женским показателям, были опубликованы в журнале Early Human Development и стали продолжением прошлогоднего исследования, посвященного мужчинам.

У некоторых футболистов наблюдалось незначительное увеличение уровня лактата, в то время как у других его уровень резко возрастал.

У мужчин соотношение пальцев (2D:4D) — относительная длина указательного (второго) и безымянного (четвертого) пальцев — оказалось наиболее точным предиктором уровня лактата.

Профессор Мэннинг заявил: «Мужчины с длинным безымянным пальцем относительно указательного вырабатывали мало лактата. У женщин предикторами были рост и соотношение 2D:4D. Уровень лактата был низким у высоких женщин и у тех, у кого безымянный палец был длиннее указательного. Считается, что это связано с балансом тестостерона и эстрогена в утробе матери и в период полового созревания».

Длинный безымянный палец указывает на высокий уровень пренатального тестостерона, а длинный указательный палец — на высокий уровень пренатального эстрогена.

Как правило, у мужчин безымянные пальцы длиннее, чем у женщин, а у женщин указательные пальцы длиннее, чем у мужчин.

Он добавил: «Мужчины, которые подвергались воздействию высокого уровня тестостерона и низкого уровня эстрогена (длинные безымянные пальцы) до рождения, и женщины, которые подвергались воздействию высокого уровня тестостерона и низкого уровня эстрогена до рождения (длинные безымянные пальцы) и в период полового созревания (высокие женщины), демонстрировали низкий уровень лактата в тестах на беговой дорожке с постепенным увеличением нагрузки.

Эти результаты имеют значение не только для футбола, но и для других видов спорта, таких как бег на длинные дистанции, а также для клинических случаев, когда высокий уровень лактата наблюдается при серьезных медицинских состояниях, например, после сердечного приступа».

Профессор Мэннинг является пионером в исследованиях связи соотношения 2D:4D с различными показателями фертильности, здоровья и поведения. Его последние работы изучали связь между соотношением пальцев и потреблением кислорода у футболистов, а также связь между длиной пальцев и привычками употребления алкоголя.

Дополнительная информация

• Как уровень лактата влияет на физическую выносливость в других видах спорта, кроме футбола? - Уровень лактата влияет на выносливость в таких видах спорта, как бег, плавание и велоспорт, так как его накопление в мышцах приводит к усталости и снижению работоспособности.
• Какие еще физиологические показатели, кроме уровня лактата, могут быть связаны с соотношением 2D:4D? - Соотношение 2D:4D может быть связано с когнитивными способностями, уровнем агрессии, риском сердечно-сосудистых заболеваний и даже сексуальной ориентацией.
• Как пренатальный уровень тестостерона и эстрогена влияет на другие аспекты здоровья, кроме физической выносливости? - Пренатальный уровень тестостерона и эстрогена может влиять на развитие мозга, поведение, иммунную систему и риск аутоиммунных заболеваний.
• Какие еще исследования проводил профессор Джон Мэннинг в области соотношения 2D:4D? - Профессор Джон Мэннинг изучал связь соотношения 2D:4D с физической активностью, спортивными достижениями, сексуальной ориентацией и риском развития рака молочной железы и болезней сердца.

Полная версия:: How footballers' fingers and height can predict their exercise performance

Нейронная сеть расшифровывает гравитационные волны от слияния нейтронных звезд за секунду.

Слияния двойных нейтронных звезд происходят на расстоянии миллионов световых лет от Земли. Интерпретация гравитационных волн, которые они производят, представляет собой серьезную проблему для традиционных методов анализа данных. Эти сигналы соответствуют минутам данных от текущих детекторов и потенциально часам или даже дням данных от будущих обсерваторий. Анализ таких огромных объемов данных требует значительных вычислительных ресурсов и времени.

Международная команда ученых разработала алгоритм машинного обучения под названием DINGO-BNS (Deep INference for Gravitational-wave Observations from Binary Neutron Stars), который позволяет значительно сэкономить время при интерпретации гравитационных волн, излучаемых при слиянии нейтронных звезд. Они обучили нейронную сеть полностью характеризовать системы сливающихся нейтронных звезд примерно за одну секунду, в то время как самые быстрые традиционные методы требуют около часа. Их результаты будут опубликованы в журнале Nature 5 марта 2025 года под заголовком "Реальный анализ слияний двойных нейтронных звезд с использованием машинного обучения".

Почему важны вычисления в реальном времени?

Слияния нейтронных звезд, помимо гравитационных волн, излучают видимый свет (в последующем взрыве килоновой) и другие виды электромагнитного излучения, как показано в этом видео. "Быстрый и точный анализ данных гравитационных волн крайне важен для локализации источника и наведения телескопов в правильном направлении как можно скорее, чтобы наблюдать все сопутствующие сигналы", — говорит первый автор публикации Максимилиан Дакс, аспирант отдела эмпирического вывода в Институте интеллектуальных систем Макса Планка (MPI-IS), в ETH Zurich и в Институте ELLIS в Тюбингене.

Метод реального времени может установить новый стандарт для анализа данных о слияниях нейтронных звезд, предоставляя астрономическому сообществу больше времени для наведения телескопов на сливающиеся нейтронные звезды сразу после их обнаружения крупными детекторами коллаборации LIGO-Virgo-KAGRA (LVK).

"Текущие алгоритмы быстрого анализа, используемые LVK, делают приближения, которые жертвуют точностью. Наше новое исследование устраняет эти недостатки", — говорит Джонатан Гэр, руководитель группы в отделе астрофизической и космологической относительности Института гравитационной физики Макса Планка в Потсдамском научном парке.

Действительно, фреймворк машинного обучения полностью характеризует слияние нейтронных звезд (например, их массы, спины и местоположение) всего за одну секунду, не прибегая к таким приближениям. Это позволяет, среди прочего, быстрее определять положение на небе с точностью на 30% выше. Благодаря своей скорости и точности, нейронная сеть может предоставлять критически важную информацию для совместных наблюдений гравитационно-волновых детекторов и других телескопов. Она может помочь в поиске света и других электромагнитных сигналов, производимых слиянием, и максимально эффективно использовать дорогостоящее время наблюдений телескопов.

Наблюдение слияния нейтронных звезд в реальном времени

"Анализ гравитационных волн особенно сложен для двойных нейтронных звезд, поэтому для DINGO-BNS нам пришлось разработать различные технические инновации. Это включает, например, метод адаптивного сжатия данных для конкретных событий", — говорит Стивен Грин, стипендиат программы UKRI Future Leaders в Университете Ноттингема. Бернхард Шёлькопф, директор отдела эмпирического вывода в MPI-IS и в Институте ELLIS в Тюбингене, добавляет: "Наше исследование демонстрирует эффективность сочетания современных методов машинного обучения с физическими знаниями".

DINGO-BNS однажды может помочь в наблюдении электромагнитных сигналов до и во время столкновения двух нейтронных звезд. "Такие ранние мультимессенджерные наблюдения могут предоставить новые insights в процесс слияния и последующую килонову, которые до сих пор остаются загадочными", — говорит Алессандра Буонанно, директор отдела астрофизической и космологической относительности Института гравитационной физики Макса Планка.

Дополнительная информация

• Как гравитационные волны помогают определить массу и спин нейтронных звезд? - Гравитационные волны, возникающие при слиянии нейтронных звезд, содержат информацию о массе и спине этих объектов, так как форма волн зависит от их характеристик.
• Какие технические инновации были разработаны для алгоритма DINGO-BNS? - Алгоритм DINGO-BNS использует нейронные сети для ускорения обработки данных гравитационных волн и повышения точности анализа.
• Как мультимессенджерные наблюдения могут изменить наше понимание слияния нейтронных звезд? - Мультимессенджерные наблюдения объединяют данные гравитационных волн, электромагнитных сигналов и нейтрино, что позволяет получить более полное представление о физике слияний нейтронных звезд.
• Какие ограничения имеют традиционные методы анализа гравитационных волн? - Традиционные методы могут быть ограничены вычислительной сложностью и чувствительностью инструментов, что затрудняет анализ слабых сигналов.
• Как коллаборация LIGO-Virgo-KAGRA использует данные гравитационных волн для поиска слияний нейтронных звезд? - Коллаборация использует сеть детекторов для обнаружения гравитационных волн от слияний нейтронных звезд, что позволяет точно определять их местоположение и характеристики.

Полная версия:: Neural network deciphers gravitational waves from merging neutron stars in a second

Превращение отходов органических соединений в полезные фармацевтические препараты и энергию с использованием техники, вдохновленной фотосинтезом.

Исследовательская группа под руководством доцента Шого Мори и профессора Сусуму Саито из Университета Нагоя разработала революционный метод искусственного фотосинтеза, который использует солнечный свет и воду для производства энергии и ценных органических соединений, включая фармацевтические материалы, из отходов органических соединений. Это достижение представляет собой значительный шаг на пути к устойчивому производству энергии и химических веществ. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

"Искусственный фотосинтез включает химические реакции, которые имитируют процесс, с помощью которого растения преобразуют солнечный свет, воду и углекислый газ в богатую энергией глюкозу", — объяснил Саито.

"Отходы, которые часто образуются в результате других процессов, не создавались; вместо этого производились только энергия и полезные химические вещества."

Их техника, которую они назвали искусственным фотосинтезом, направленным на органический синтез (APOS), соответствует всем критериям искусственного фотосинтеза.

Она представляет собой смену парадигмы в области искусственного фотосинтеза благодаря использованию органических веществ и воды в качестве сырья для реакции.

"Ключом к успеху APOS является совместное действие двух типов неорганических полупроводниковых фотокатализаторов", — сказал Саито.

"Катализаторы соответственно способствуют разложению отходов органических веществ и воды через расщепление воды, что в данном случае привело к синтезу полезных органических соединений и 'зеленого' водорода."

Исследователи описывают множество практических применений своего открытия.

В эксперименте они использовали различные органические сырьевые материалы для синтеза более 25 различных спиртов и эфиров, содержащих широкий спектр функциональных групп, включая аналог антидепрессанта и препарата от сенной лихорадки.

Техника также позволяет модифицировать органические материалы, что они продемонстрировали, модифицировав препарат, используемый для лечения повышенного уровня липидов в крови.

"Наша передовая техника потенциально может производить полезные углеродные материалы без образования углекислого газа и отходов", — сказал Саито.

"Примером является ацетонитрил, который мы использовали в этом эксперименте в качестве исходного материала. Ацетонитрил является побочным продуктом, образующимся при промышленном массовом производстве полимеров и углеродных нановолокон. Его использование в APOS позволило превратить его в полезный продукт, потенциально сокращая количество отходов."

Это исследование знаменует начало новой области искусственного фотосинтеза для органического синтеза, и ожидается, что результаты внесут вклад в устойчивое производство медицинских и сельскохозяйственных химикатов с использованием возобновляемых источников энергии и ресурсов, таких как солнечный свет и вода.

Дополнительная информация

• Какие еще примеры органических отходов могут быть использованы в APOS, помимо ацетонитрила? - В APOS могут быть использованы такие органические отходы, как фенолы, пестициды, красители, а также некоторые виды пластиков и нефтепродуктов.
• Как именно неорганические полупроводниковые фотокатализаторы способствуют разложению органических отходов и воды? - Неорганические полупроводниковые фотокатализаторы, такие как диоксид титана (TiO₂), поглощают свет, что приводит к образованию активных форм кислорода (например, гидроксильных радикалов). Эти радикалы разрушают органические молекулы, превращая их в менее вредные вещества, такие как вода и углекислый газ.
• Какие еще фармацевтические препараты, помимо антидепрессантов и лекарств от сенной лихорадки, могут быть синтезированы с использованием APOS? - С использованием APOS могут быть синтезированы такие препараты, как антибиотики, противовоспалительные средства, а также некоторые виды гормональных препаратов.

Полная версия:: Turning waste organic compound into useful pharmaceuticals and energy using a technique inspired by photosynthesis

Парализованный человек управляет роботизированной рукой силой мысли.

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UC San Francisco) позволили парализованному человеку управлять роботизированной рукой с помощью устройства, которое передает сигналы из его мозга на компьютер.

Он смог брать, перемещать и бросать объекты, просто представляя, как выполняет эти действия.

Устройство, известное как интерфейс "мозг-компьютер" (brain-computer interface, BCI), работало рекордные 7 месяцев без необходимости корректировки. До сих пор такие устройства функционировали лишь день или два.

BCI использует модель искусственного интеллекта (ИИ), которая может адаптироваться к небольшим изменениям, происходящим в мозге, когда человек повторяет движение — или, в данном случае, представляет его — и учится выполнять его более точно.

"Это сочетание обучения между человеком и ИИ — следующий этап для интерфейсов 'мозг-компьютер', — сказал невролог Карунеш Гангули, доктор медицины и философии, профессор неврологии и член Института нейронаук Вейля при UCSF. — Это то, что нам нужно для достижения сложных, реалистичных функций."

Исследование, финансируемое Национальными институтами здравоохранения, было опубликовано 6 марта в журнале Cell.

Ключевым стало открытие того, как активность мозга меняется изо дня в день, когда участник исследования многократно представлял выполнение определенных движений. Как только ИИ был запрограммирован учитывать эти изменения, он работал месяцами.

Местоположение, местоположение, местоположение

Гангули изучал, как паттерны активности мозга у животных представляют определенные движения, и заметил, что эти представления меняются день ото дня по мере обучения животного. Он предположил, что то же самое происходит у людей, и именно поэтому их BCI так быстро теряли способность распознавать эти паттерны.

Гангули и исследователь в области неврологии Нихилеш Натрадж, доктор философии, работали с участником исследования, который был парализован после инсульта несколько лет назад. Он не мог говорить или двигаться.

На поверхность его мозга были имплантированы крошечные сенсоры, которые могли улавливать активность мозга, когда он представлял движение.

Чтобы проверить, меняются ли паттерны его мозга со временем, Гангули попросил участника представить движение различных частей тела, таких как руки, ноги или голова.

Хотя он не мог двигаться, мозг участника все еще мог производить сигналы для движения, когда он представлял его. BCI записывал представления этих движений через сенсоры на его мозге.

Команда Гангули обнаружила, что форма представлений в мозге оставалась неизменной, но их местоположение слегка смещалось изо дня в день.

От виртуального к реальному

Затем Гангули попросил участника представить выполнение простых движений пальцами, руками или большими пальцами в течение двух недель, пока сенсоры записывали активность его мозга для обучения ИИ.

После этого участник попытался управлять роботизированной рукой. Однако движения все еще не были очень точными.

Поэтому Гангули предложил участнику потренироваться на виртуальной роботизированной руке, которая давала ему обратную связь о точности его визуализаций. В конце концов, он смог заставить виртуальную руку делать то, что он хотел.

Как только участник начал тренироваться с реальной роботизированной рукой, ему потребовалось всего несколько сессий, чтобы перенести свои навыки в реальный мир.

Он смог заставить роботизированную руку поднимать блоки, поворачивать их и перемещать в новые места. Он даже смог открыть шкаф, взять чашку и поднести ее к диспенсеру для воды.

Спустя месяцы участник все еще мог управлять роботизированной рукой после 15-минутной "настройки", чтобы скорректировать изменения в представлениях движений, которые произошли с момента начала использования устройства.

Гангули сейчас совершенствует модели ИИ, чтобы сделать движения роботизированной руки быстрее и плавнее, и планирует протестировать BCI в домашних условиях.

Для людей с параличом возможность самостоятельно есть или пить воду может изменить жизнь.

Гангули считает, что это достижимо.

"Я уверен, что мы поняли, как построить эту систему, и что мы можем заставить ее работать", — сказал он.

Дополнительная информация

• Как именно ИИ адаптируется к изменениям активности мозга? - ИИ анализирует сигналы мозга с помощью алгоритмов машинного обучения, постоянно корректируя свои модели для более точного распознавания намерений пользователя.
• Какие риски связаны с имплантацией сенсоров на поверхность мозга? - Основные риски включают инфекции, повреждение тканей мозга и возможное отторжение имплантата организмом.
• Какие еще применения BCI могут быть полезны для людей с ограниченными возможностями? - BCI может использоваться для управления протезами, восстановления коммуникации у людей с нарушениями речи и даже для управления бытовыми устройствами.
• Как долго могут работать имплантированные сенсоры без замены или обслуживания? - Современные сенсоры могут работать несколько лет, но их срок службы зависит от качества материалов и условий эксплуатации.
• Какие ограничения существуют у текущей версии BCI, кроме скорости и плавности движений? - Ограничения включают необходимость частой калибровки, ограниченную точность распознавания и высокое энергопотребление.

Полная версия:: Paralyzed man moves robotic arm with his thoughts

Ощущение — это вера: бионическая рука «знает», что она трогает, и хватает, как человеческая.

Инженеры Университета Джонса Хопкинса разработали инновационный протез руки, который может захватывать мягкие игрушки, бутылки с водой и другие повседневные предметы, как это делает человек, аккуратно адаптируя и регулируя хватку, чтобы избежать повреждения или неправильного обращения с объектами.

Гибридный дизайн этой системы является первым в своем роде для роботизированных рук, которые обычно были либо слишком жесткими, либо слишком мягкими, чтобы воспроизвести человеческое прикосновение при работе с объектами различной текстуры и материалов.

Эта инновация предлагает многообещающее решение для людей, потерявших руку, и может улучшить взаимодействие роботизированных рук с окружающей средой.

Подробности об устройстве опубликованы сегодня в журнале Science Advances.

«Цель с самого начала заключалась в создании протеза руки, который мы моделируем на основе физических и сенсорных возможностей человеческой руки — более естественного протеза, который функционирует и ощущается как утраченная конечность», — сказал Шрирамана Санкар, биомедицинский инженер Университета Джонса Хопкинса, возглавлявший работу.

«Мы хотим дать людям с потерей верхних конечностей возможность безопасно и свободно взаимодействовать с окружающей средой, чувствовать и держать своих близких, не опасаясь причинить им вред».

Устройство, разработанное той же Лабораторией нейроинженерии и биомедицинских инструментов, которая в 2018 году создала первый в мире электронный «кожный» сенсор с человеческим чувством боли, оснащено многопалой системой с резиноподобными полимерами и жестким 3D-печатным внутренним каркасом.

Его три слоя тактильных сенсоров, вдохновленные слоями человеческой кожи, позволяют ему захватывать и различать объекты различной формы и текстуры поверхности, а не просто обнаруживать прикосновение.

Каждый из мягких воздушных суставов пальцев может управляться мышцами предплечья, а алгоритмы машинного обучения фокусируют сигналы от искусственных тактильных рецепторов, чтобы создать реалистичное чувство осязания, сказал Санкар.

«Сенсорная информация от пальцев переводится на язык нервов, чтобы обеспечить естественную сенсорную обратную связь через электрическую стимуляцию нервов».

В лаборатории рука идентифицировала и манипулировала 15 повседневными предметами, включая хрупкие мягкие игрушки, губки для посуды и картонные коробки, а также ананасы, металлические бутылки для воды и другие более прочные предметы.

В экспериментах устройство показало лучшие результаты по сравнению с альтернативами, успешно обрабатывая объекты с точностью 99,69% и регулируя хватку по мере необходимости, чтобы избежать ошибок.

Лучшим примером стало то, как оно ловко подняло тонкий хрупкий пластиковый стакан, наполненный водой, используя только три пальца, не деформируя его.

«Мы объединяем преимущества как жесткой, так и мягкой робототехники, чтобы имитировать человеческую руку», — сказал Санкар.

«Человеческая рука не является полностью жесткой или чисто мягкой — это гибридная система, где кости, мягкие суставы и ткани работают вместе. Именно этого мы хотим достичь с нашим протезом руки. Это новая территория для робототехники и протезирования, которые ранее не полностью использовали эту гибридную технологию. Это возможность крепко пожать руку или взять мягкий предмет, не боясь его раздавить».

Чтобы помочь ампутантам восстановить способность чувствовать объекты при захвате, протезы должны иметь три ключевых компонента: сенсоры для обнаружения окружающей среды, систему для перевода этих данных в нервоподобные сигналы и способ стимуляции нервов, чтобы человек мог ощущать прикосновение, сказал Нитиш Такор, профессор биомедицинской инженерии Университета Джонса Хопкинса, руководивший работой.

Биовдохновленная технология позволяет руке функционировать таким образом, используя мышечные сигналы от предплечья, как и большинство протезов рук.

Эти сигналы связывают мозг и нервы, позволяя руке сгибаться, разжиматься или реагировать на основе чувства осязания.

Результатом является роботизированная рука, которая интуитивно «знает», что она трогает, подобно нервной системе, сказал Такор.

«Если вы держите чашку кофе, как вы понимаете, что она вот-вот упадет? Ваша ладонь и кончики пальцев отправляют сигналы в мозг о том, что чашка скользит», — сказал Такор.

«Наша система нейронно вдохновлена — она моделирует тактильные рецепторы руки, чтобы создавать нервоподобные сообщения, чтобы «мозг» протеза, или его компьютер, понимал, что объект горячий или холодный, мягкий или твердый, или выскальзывает из хватки».

Хотя исследование является ранним прорывом в гибридной робототехнической технологии, которая может изменить как протезирование, так и робототехнику, необходима дополнительная работа для усовершенствования системы, сказал Такор.

Будущие улучшения могут включать более сильные силы захвата, дополнительные сенсоры и промышленные материалы.

«Эта гибридная ловкость важна не только для протезов следующего поколения», — сказал Такор.

«Она необходима для роботизированных рук будущего, потому что им придется работать не только с крупными и тяжелыми объектами. Им нужно будет взаимодействовать с хрупкими материалами, та

Дополнительная информация

• Как работают тактильные сенсоры, вдохновленные слоями человеческой кожи? - Тактильные сенсоры имитируют структуру кожи, используя несколько слоев, которые реагируют на давление, температуру и вибрацию, как это делают рецепторы в человеческой коже.
• Какие алгоритмы машинного обучения используются для обработки сигналов от тактильных рецепторов? - Для обработки сигналов часто используются нейронные сети, которые анализируют данные от сенсоров и преобразуют их в команды для протеза.
• Как электрическая стимуляция нервов создает ощущение прикосновения? - Электрические импульсы стимулируют нервные окончания, что вызывает ощущение прикосновения, аналогичное естественному.
• Какие материалы используются для создания резиноподобных полимеров и жесткого каркаса протеза? - Для резиноподобных полимеров часто используют силиконы, а для жесткого каркаса — композитные материалы, такие как углеродное волокно.
• Какие ограничения существуют у текущей версии протеза, и как их планируют устранить в будущем? - Текущие ограничения включают недостаточную точность и долговечность. В будущем планируется улучшить материалы и алгоритмы обработки данных.
• Как протез может быть адаптирован для людей с разными уровнями ампутации? - Протезы могут быть модульными, что позволяет настраивать их под разные уровни ампутации, используя съемные компоненты и регулируемые крепления.

Полная версия:: Feeling is believing: Bionic hand 'knows' what it's touching, grasps like a human

Знаменитая австралийская птица раскрывает скрытый талант к "фермерству".

Любимая австралийская птица, известная своим великолепным хвостом и способностью к мимикрии, может обладать хитрым скрытым талантом.

Новые исследования показали, что великолепный лирохвост (Menura novaehollandiae) является находчивым "фермером", создающим микро-среды обитания для своих жертв, чтобы затем вернуться и полакомиться ими.

Ученые из Университета Ла Троб наблюдали, как эти наземные птицы создают условия, подходящие для их рациона, состоящего из червей, многоножек и пауков.

В новой статье, опубликованной в Journal of Animal Ecology, исследователи обнаружили, что лирохвосты организуют подстилку и почву на лесной подстилке таким образом, чтобы способствовать увеличению количества добычи.

Ученые огородили небольшие участки леса, чтобы создать зоны, свободные от лирохвостов. На некоторых из этих участков они вручную разрыхляли листовую подстилку и почву, имитируя поведение птиц.

На участках, где проводилось разрыхление, было обнаружено большее разнообразие и количество беспозвоночных по сравнению с зонами без имитации "фермерства" лирохвостов.

Ведущий исследователь Алекс Мэйси заявил, что такой тип "животноводства" редко встречается в природе.

"Лирохвосты создают идеальные условия для своей добычи, обеспечивая их большим количеством пищи и фактически откармливая их перед тем, как съесть", — сказал доктор Мэйси.

Великолепный лирохвост в основном обитает во влажных эвкалиптовых лесах на юго-востоке Австралии.

Доктор Мэйси отметил, что лирохвосты, благодаря своей деятельности, значительно влияют на растения и животных, населяющие леса юго-восточной Австралии.

В рамках этого проекта было подсчитано, что лирохвосты перемещают в среднем 155 тонн подстилки и почвы на гектар, занимаясь "фермерством" беспозвоночных.

Они также снижают интенсивность лесных пожаров, закапывая листья и ветки, которые служат топливом для огня, тем самым формируя целые экосистемы, добавил доктор Мэйси.

"Лирохвосты широко распространены и активны на миллионах гектаров леса. Их "фермерская" деятельность играет важную роль в поддержании биоразнообразия лесов".

Дополнительная информация

• Какие еще животные демонстрируют поведение, похожее на "фермерство" лирохвостов? - Муравьи-листорезы выращивают грибы, которые используют в пищу, а некоторые виды термитов культивируют грибковые сады внутри своих гнезд.
• Как именно лирохвосты снижают интенсивность лесных пожаров, закапывая листья и ветки? - Лирохвосты закапывают сухие листья и ветки, что уменьшает количество легковоспламеняющегося материала на поверхности почвы, тем самым снижая риск распространения пожаров.

Полная версия:: Iconic Australian bird reveals hidden farming talent

Тепло от Солнца влияет на сейсмическую активность на Земле.

Сейсмология раскрыла многое о природе землетрясений: тектонические плиты движутся, вызывая накопление энергии напряжения, которая в конечном итоге высвобождается в виде землетрясения. Однако в вопросах их прогнозирования еще многое предстоит изучить, чтобы эвакуировать города до катастроф, подобных землетрясению магнитудой 9,0 в Тохоку в 2011 году, которое, помимо вызванного им цунами, приведшего к аварии на АЭС "Фукусима", унесло жизни более 18 000 человек.

В последние годы исследования сосредоточились на возможной связи между Солнцем или Луной и сейсмической активностью на Земле, причем некоторые исследования указывают на взаимодействие приливных сил или электромагнитных эффектов с корой, ядром и мантией планеты.

В журнале Chaos, издаваемом AIP Publishing, исследователи из Университета Цукубы и Национального института передовых промышленных наук и технологий Японии изучили вероятность того, что климат Земли, зависящий от солнечного тепла, играет определенную роль.

Исследование основывается на работе, опубликованной той же группой ученых в 2022 году в том же журнале; в ней была установлена причинно-следственная связь между солнечной активностью, в частности количеством солнечных пятен, и сейсмическими системами на Земле.

"Солнечное тепло вызывает изменения температуры атмосферы, что, в свою очередь, может влиять на такие факторы, как свойства горных пород и движение подземных вод", — сказал автор исследования Матеус Энрике Жункейра Салданья.

"Такие колебания могут сделать породы более хрупкими и склонными к разрушению, например, а изменения в количестве осадков и таянии снега могут изменить давление на границы тектонических плит. Хотя эти факторы могут и не быть основными причинами землетрясений, они все же могут играть роль, которая поможет прогнозировать сейсмическую активность".

Используя математические и вычислительные методы, исследователи проанализировали данные о землетрясениях вместе с записями солнечной активности и температурой поверхности Земли.

Среди прочих выводов они обнаружили, что включение данных о температуре поверхности Земли в их модель повысило точность прогнозирования, особенно для мелких землетрясений.

"Это логично, поскольку тепло и вода в основном влияют на верхние слои земной коры", — отметил Жункейра Салданья.

Результаты исследования предполагают, что передача солнечного тепла на поверхность Земли действительно влияет на сейсмическую активность, пусть и незначительно, и что включение прогнозов солнечной активности в детальные модели температуры Земли может помочь в прогнозировании землетрясений.

"Это захватывающее направление, и мы надеемся, что наше исследование прольет свет на более широкую картину того, что вызывает землетрясения", — сказал Жункейра Салданья.

Дополнительная информация

• Как именно солнечные пятна влияют на сейсмическую активность на Земле? - Солнечные пятна связаны с изменениями в солнечной активности, которые могут влиять на магнитное поле Земли. Это, в свою очередь, может косвенно влиять на сейсмическую активность, хотя прямая связь между солнечными пятнами и землетрясениями не доказана.

• Какие конкретные математические и вычислительные методы использовались для анализа данных о землетрясениях и солнечной активности? - Для анализа данных о землетрясениях и солнечной активности часто используются статистические методы, машинное обучение и анализ временных рядов, чтобы выявить возможные корреляции.

• Какие другие факторы, помимо солнечного тепла, могут влиять на сейсмическую активность на Земле? - Основными факторами, влияющими на сейсмическую активность, являются движение тектонических плит, вулканическая активность и гравитационные взаимодействия, такие как приливы и отливы.

Полная версия:: Heat from the sun affects seismic activity on Earth

Основные продовольственные культуры мира находятся под угрозой из-за повышения температуры.

Глобальная продовольственная безопасность может быть серьезно подорвана значительным сокращением разнообразия сельскохозяйственных культур, если температура повысится более чем на 1,5°C, свидетельствуют новые исследования.

Глобальное потепление уже меняет нашу повседневную жизнь, вызывая штормы, наводнения, лесные пожары и засухи по всему миру. По мере продолжения роста температуры под угрозой может оказаться треть мирового производства продовольствия. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Food, дает более точное представление о том, где именно и как потепление повлияет на нашу способность выращивать продукты питания.

Исследователи из Университета Аалто изучили, как будущие изменения температуры, осадков и засушливости повлияют на условия выращивания 30 основных видов продовольственных культур по всему миру. Они обнаружили, что регионы с низкими широтами столкнутся с гораздо более серьезными последствиями, чем регионы со средними или высокими широтами. В зависимости от уровня потепления до половины производства сельскохозяйственных культур в низкоширотных регионах может оказаться под угрозой, поскольку климатические условия станут непригодными для производства. В то же время в этих регионах также произойдет значительное сокращение разнообразия культур.

«Потеря разнообразия означает, что спектр продовольственных культур, доступных для выращивания, может значительно сократиться в определенных регионах. Это снизит продовольственную безопасность и затруднит получение достаточного количества калорий и белка», — говорит Сара Хейконен, докторант, возглавлявшая исследование.

До половины мирового производства продовольственных культур может быть затронуто

Потепление значительно сократит количество глобальных пахотных земель, пригодных для выращивания основных культур — риса, кукурузы, пшеницы, картофеля и сои, которые обеспечивают более двух третей мирового потребления пищевой энергии. Кроме того, «тропические корнеплоды, такие как ямс, которые имеют ключевое значение для продовольственной безопасности в регионах с низким уровнем дохода, а также злаки и бобовые, особенно уязвимы. В странах Африки к югу от Сахары, регионе, который пострадает больше всего, почти три четверти текущего производства окажутся под угрозой, если глобальное потепление превысит 3°C», — говорит Хейконен.

Напротив, регионы со средними и высокими широтами, вероятно, сохранят свои продуктивные земли в целом, хотя зоны для выращивания определенных культур изменятся. В этих регионах также, вероятно, увеличится разнообразие культур. «Например, выращивание фруктов умеренного климата, таких как груши, может стать более распространенным в более северных регионах», — отмечает Хейконен.

Однако, даже если климатические условия будут благоприятными, другие факторы могут препятствовать сельскому хозяйству в этих регионах, говорит старший автор исследования, профессор Матти Кумму. «Мы показали, что существует климатический потенциал, но, например, потепление может привести к появлению новых вредителей и экстремальных погодных явлений, которые не учитываются в нашей модели. Так что ситуация не так однозначна».

Возможности адаптации и смягчения последствий

Многие низкоширотные регионы, наиболее подверженные угрозе потепления, уже уязвимы во многих отношениях. Они сталкиваются с проблемами продовольственной обеспеченности, а экономические и системные факторы делают их менее устойчивыми, чем страны северных регионов. Тем не менее, Кумму видит способы, с помощью которых эти регионы могли бы хотя бы частично справиться с вызовом.

«Во многих низкоширотных регионах, особенно в Африке, урожайность низкая по сравнению с аналогичными регионами в других частях мира. Они могли бы повысить урожайность за счет доступа к удобрениям и орошению, а также сокращения потерь продовольствия на этапах производства и хранения. Однако продолжающееся глобальное потепление добавит много неопределенности в эти оценки, и, вероятно, потребуются еще более активные действия, такие как выбор культур и новые методы селекции», — говорит он. «Но я всегда говорю, что моделирование и анализ — это легкая часть, а понимание того, как реализовать изменения, — самая сложная».

В то время как политики в низкоширотных странах должны работать над устранением этих пробелов, в регионах со средними и высокими широтами фермерам и политикам необходима большая гибкость, говорит Кумму. Потепление, вероятно, изменит спектр культур, выращиваемых в этих регионах, а дополнительные изменения произойдут из-за множества давлений на глобальную продовольственную систему. Справиться с этими изменениями потребует способности адаптироваться по мере развития последствий изменения климата.

«Если мы хотим обеспечить нашу продовольственную систему в будущем, нам необходимо как смягчать последствия изменения климата, так и адаптироваться к его воздействию», — говорит Хейконен. «Даже если самые большие изменения произойдут в экваториальных регионах, мы все почувствуем их последствия через глобализированную продовольственную систему. Нам нужно действовать сообща, чтобы решить эти проблемы».

Дополнительная информация

• Какие методы селекции могут помочь адаптировать сельскохозяйственные культуры к изменению климата? - Методы включают традиционную селекцию, генетическую модификацию и CRISPR. Они помогают создавать сорта, устойчивые к засухе, высоким температурам и болезням.
• Как глобализация продовольственной системы влияет на распределение продуктов питания в условиях изменения климата? - Глобализация делает страны зависимыми от импорта, что увеличивает уязвимость к климатическим шокам и неравенство в доступе к продуктам питания.
• Какие новые вредители могут появиться из-за глобального потепления и как они повлияют на сельское хозяйство? - Потепление может привести к распространению новых видов насекомых и болезней, что снизит урожайность и увеличит затраты на борьбу с вредителями.
• Какие экономические и системные факторы делают низкоширотные регионы менее устойчивыми к изменению климата? - Низкоширотные регионы часто страдают от бедности, слабой инфраструктуры и высокой зависимости от сельского хозяйства, что делает их более уязвимыми.
• Как изменение климата повлияет на доступ к удобрениям и орошению в низкоширотных регионах? - Изменение климата может привести к дефициту воды и росту цен на удобрения, что усугубит проблемы сельского хозяйства в этих регионах.
• Какие фрукты умеренного климата, кроме груш, могут стать более распространенными в северных регионах? - Яблоки, сливы и вишни могут стать более распространенными в северных регионах из-за изменения климата.

Полная версия:: World's critical food crops at imminent risk from rising temperatures

Новая терапия стволовыми клетками восстанавливает «необратимые» повреждения роговицы в клиническом испытании.

Расширенное клиническое испытание, в котором тестировалось революционное экспериментальное лечение стволовыми клетками для восстановления повреждений роговицы, приводящих к слепоте, показало, что лечение является безопасным и осуществимым у 14 пациентов, которые наблюдались в течение 18 месяцев. При этом был зафиксирован высокий процент полного или частичного успеха. Результаты этого нового этапа 1/2 испытания были опубликованы 4 марта 2025 года в журнале Nature Communications.

Лечение, называемое культивированными аутологичными лимбальными эпителиальными клетками (CALEC), было разработано в Mass Eye and Ear, входящем в систему здравоохранения Mass General Brigham. Инновационная процедура включает забор стволовых клеток из здорового глаза с помощью биопсии, их размножение в тканевый трансплантат в рамках нового производственного процесса, который занимает от двух до трех недель, и последующую хирургическую пересадку трансплантата в глаз с поврежденной роговицей.

«Наше первое испытание на четырех пациентах показало, что CALEC безопасен и лечение возможно», — сказала главный исследователь Ула Юркунас, доктор медицинских наук, заместитель директора службы роговицы в Mass Eye and Ear и профессор офтальмологии в Гарвардской медицинской школе. «Теперь у нас есть новые данные, подтверждающие, что CALEC более чем на 90% эффективен в восстановлении поверхности роговицы, что имеет большое значение для людей с повреждениями роговицы, которые ранее считались неизлечимыми».

Исследователи показали, что CALEC полностью восстановил роговицу у 50% участников на трехмесячном визите, а уровень полного успеха увеличился до 79% и 77% на 12- и 18-месячных визитах соответственно.

С учетом двух участников, достигших частичного успеха на 12- и 18-месячных визитах, общий успех CALEC составил 93% и 92% на 12 и 18 месяцев соответственно. Трое участников получили вторую трансплантацию CALEC, и один из них достиг полного успеха к концу исследования. Дополнительный анализ влияния CALEC на зрение показал различные уровни улучшения остроты зрения у всех 14 пациентов, получивших лечение.

CALEC продемонстрировал высокий профиль безопасности: серьезных осложнений в донорских или реципиентных глазах не наблюдалось. Один нежелательный эффект, бактериальная инфекция, произошел у одного участника через восемь месяцев после трансплантации из-за хронического использования контактных линз. Другие нежелательные явления были незначительными и быстро разрешились после процедур.

CALEC остается экспериментальной процедурой и в настоящее время не предлагается в Mass Eye and Ear или любом другом американском госпитале. Для получения федерального одобрения потребуются дополнительные исследования.

Испытание CALEC стало первым исследованием терапии стволовыми клетками на людях, финансируемым Национальным институтом глаз (NEI), входящим в состав Национальных институтов здоровья (NIH), и первой терапией стволовыми клетками в области глаз в США. Среди других исследователей, участвовавших в проекте, — доктора Цзя Инь и Реза Дана из Mass Eye and Ear, Джером Ритц из Центра манипуляции клетками семьи Коннелл и О'Рейли при Институте рака Дана-Фарбер, где производится трансплантат стволовых клеток, а также Мириам Армант из Бостонской детской больницы и Центр исследований здоровья JAEB.

Роговица — это прозрачный внешний слой глаза. Ее внешняя граница, лимб, содержит большое количество здоровых стволовых клеток, называемых лимбальными эпителиальными клетками, которые поддерживают гладкую поверхность глаза. Когда человек получает травму роговицы, например, химический ожог, инфекцию или другую травму, это может привести к истощению лимбальных эпителиальных клеток, которые никогда не восстанавливаются. Возникающий дефицит лимбальных стволовых клеток приводит к необратимому повреждению поверхности глаза, что делает невозможной трансплантацию роговицы — текущий стандарт восстановления зрения. Люди с такими травмами часто испытывают постоянную боль и проблемы со зрением.

Эта потребность побудила Юркунас, тогда еще молодого ученого, и Дана, директора службы роговицы в Mass Eye and Ear, исследовать новый подход к регенерации лимбальных эпителиальных клеток. Почти два десятилетия спустя, после доклинических исследований и сотрудничества с учеными из Дана-Фарбер и Бостонской детской больницы, стало возможным стабильно производить трансплантаты CALEC, соответствующие строгим критериям качества, необходимым для пересадки человеку. Клиническое испытание было одобрено Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) и Институциональным наблюдательным советом Mass General Brigham (IRB), а первый пациент был пролечен в 2018 году в Mass Eye and Ear. Успешное завершение испытания стало возможным благодаря тесной координации между хирургической командой Юркунас и производственным центром клеток в Дана-Фарбер.

Подобные исследования демонстрируют потенциал клеточной терапии для лечения неизлечимых состояний. Институт генной и клеточной терапии Mass General Brigham помогает переводить научные открытия исследователей в первые клинические испытания на людях и, в конечном итоге, в методы лечения, меняющие жизнь пациентов.

Как аутологичная терапия, этот подход имеет ограничение: необходимо, чтобы у пациента был поврежден только один глаз, чтобы можно было провести биопсию и получить материал из здорового глаза.

«Наша будущая надежда — создать аллогенный производственный процесс, начиная с лимбальных стволовых клет

Дополнительная информация

• Какова роль лимбальных эпителиальных клеток в поддержании здоровья роговицы? - Лимбальные эпителиальные клетки играют ключевую роль в регенерации и поддержании прозрачности роговицы, так как они являются источником новых клеток для её поверхности.
• Какие этапы включает процесс производства трансплантата стволовых клеток для CALEC? - Процесс включает выделение лимбальных клеток из донорской ткани, их культивирование в лаборатории для увеличения количества и подготовку трансплантата для пересадки.
• Какие ограничения имеет аутологичная терапия, и как их можно преодолеть? - Ограничения включают недостаточное количество доступных клеток и их возможное повреждение. Эти проблемы можно преодолеть с помощью улучшенных методов культивирования и использования аллогенных клеток.
• Какова роль Национального института глаз (NEI) в финансировании исследований стволовых клеток? - NEI финансирует исследования, направленные на разработку новых методов лечения заболеваний глаз, включая использование стволовых клеток для восстановления роговицы.
• Какие другие заболевания могут быть потенциально вылечены с помощью клеточной терапии? - Клеточная терапия может быть применена для лечения заболеваний, таких как болезнь Паркинсона, диабет, повреждения спинного мозга и сердечно-сосудистые заболевания.
• Какие были ключевые этапы доклинических исследований CALEC? - Доклинические исследования включали тестирование безопасности, эффективности и биосовместимости трансплантата на моделях животных.
• Какие критерии качества должны соблюдаться при производстве трансплантатов CALEC? - Критерии включают стерильность, жизнеспособность клеток, отсутствие загрязнений и соответствие стандартам GMP (надлежащей производственной практики).

Полная версия:: Novel stem cell therapy repairs 'irreversible' corneal damage in clinical trial

Таяние антарктических ледяных щитов замедлит самое сильное океанское течение Земли.

Исследователи обнаружили, что таяние ледяных щитов замедляет Антарктическое циркумполярное течение (АЦТ) — самое сильное океанское течение в мире. Это таяние имеет последствия для глобальных климатических показателей, включая повышение уровня моря, потепление океана и жизнеспособность морских экосистем.

Ученые из Университета Мельбурна и Норвежского исследовательского центра NORCE показали, что к 2050 году в сценарии с высоким уровнем выбросов углерода течение замедлится примерно на 20%. Приток пресной воды в Южный океан, как ожидается, изменит свойства океана, такие как плотность (соленость), и его циркуляционные модели.

Исследователи из Университета Мельбурна — специалист по механике жидкостей доцент Бишакхдатта Гайен и климатолог доктор Таймур Сохаил, а также океанограф доктор Андреас Клокер из Норвежского исследовательского центра NORCE — проанализировали высокоточную симуляцию океана и морского льда, чтобы оценить влияние изменений температуры, солености и ветровых условий.

Доцент Гайен отметил: "Океан чрезвычайно сложен и тонко сбалансирован. Если этот 'двигатель' течения выйдет из строя, могут возникнуть серьезные последствия, включая увеличение климатической изменчивости с более экстремальными явлениями в определенных регионах и ускорение глобального потепления из-за снижения способности океана поглощать углерод."

АЦТ служит барьером для инвазивных видов, таких как плавучие водоросли южного бычьего келпа, которые перемещаются течениями, или морских животных, таких как креветки или моллюски, предотвращая их проникновение на хрупкий антарктический континент. По мере замедления и ослабления АЦТ вероятность того, что такие виды достигнут Антарктиды, возрастает, что может серьезно повлиять на пищевую цепочку, например, изменив рацион антарктических пингвинов.

АЦТ, более чем в четыре раза сильнее Гольфстрима, является ключевой частью мировой "океанской конвейерной ленты", которая перемещает воду по всему земному шару, связывая Атлантический, Тихий и Индийский океаны, и служит основным механизмом обмена теплом, углекислым газом, химическими веществами и биологическими организмами между этими океанскими бассейнами.

Исследователи использовали самый быстрый австралийский суперкомпьютер и климатический симулятор GADI, расположенный в Национальной исследовательской инфраструктуре Access в Канберре. Базовая модель (ACCESS-OM2-01) была разработана за несколько лет австралийскими исследователями из различных университетов.

Прогнозы, рассмотренные в этом анализе, были проведены исследовательской группой из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW), которая обнаружила, что перенос океанской воды с поверхности на глубину также может замедлиться в будущем.

Доктор Сохаил отметил, что замедление будет аналогичным в сценарии с низким уровнем выбросов, если таяние льда ускорится, как предсказывают другие исследования. "Парижское соглашение 2015 года направлено на ограничение глобального потепления до 1,5 градусов Цельсия выше доиндустриального уровня. Многие ученые согласны, что мы уже достигли этой цели в 1,5 градуса, и, вероятно, станет еще жарче, что повлияет на таяние антарктического льда," — сказал он.

"Согласованные усилия по ограничению глобального потепления (путем сокращения выбросов углерода) ограничат таяние антарктического льда, предотвратив прогнозируемое замедление АЦТ."

Исследование, опубликованное сегодня в журнале Environmental Research Letters, показывает, что влияние таяния льда и потепления океана на АЦТ сложнее, чем считалось ранее.

"Тающие ледяные щиты выбрасывают огромное количество пресной воды в соленый океан. Это внезапное изменение 'солености' океана имеет ряд последствий, включая ослабление опускания поверхностных вод на глубину (так называемой Антарктической придонной воды) и, согласно этому исследованию, ослабление мощного океанского течения, окружающего Антарктиду," — сказал доцент Гайен.

Новое исследование противоречит предыдущим работам, которые предполагали, что АЦТ может ускоряться из-за более резких температурных различий на разных широтах океана, вызванных изменением климата.

"Океанские модели исторически не могли адекватно учитывать мелкомасштабные процессы, которые контролируют силу течения. Эта модель учитывает такие процессы и показывает механизм, благодаря которому АЦТ, как ожидается, замедлится в будущем. Однако необходимы дальнейшие наблюдательные и модельные исследования этого малоизученного региона, чтобы окончательно определить реакцию течения на изменение климата."

Дополнительная информация

• Как именно пресная вода от таяния льда влияет на плотность и соленость океана? - Пресная вода, поступающая от таяния льда, снижает соленость и плотность поверхностных вод, что может нарушать вертикальное перемешивание и ослаблять океанические течения, такие как Антарктическое циркумполярное течение (АЦТ).
• Какие мелкомасштабные процессы учитываются в новой модели, которые не учитывались ранее? - Новая модель включает процессы, такие как турбулентность и вертикальное перемешивание, которые ранее игнорировались из-за их сложности, но они играют ключевую роль в точном прогнозировании изменений океанической циркуляции.
• Какие конкретные инвазивные виды могут угрожать Антарктиде из-за ослабления АЦТ? - Ослабление АЦТ может способствовать проникновению таких видов, как крабы, морские звезды и некоторые виды водорослей, которые могут нарушить хрупкие экосистемы Антарктики.
• Почему предыдущие исследования предполагали ускорение АЦТ, а не замедление? - Ранние модели могли предполагать ускорение из-за недостатка данных о влиянии таяния льда на плотность воды и упрощений в описании мелкомасштабных процессов.
• Как замедление АЦТ повлияет на обмен теплом и углекислым газом между океанами? - Замедление АЦТ может снизить эффективность переноса тепла и углекислого газа между океанами, что приведет к изменению климатических условий в глобальном масштабе.
• Какие наблюдательные исследования необходимы для подтверждения результатов моделирования? - Для подтверждения результатов моделирования необходимы данные спутникового мониторинга, измерения с помощью буев и подводных аппаратов, а также долгосрочные наблюдения за изменениями температуры и солености воды.

Полная версия:: Melting Antarctic ice sheets will slow Earth's strongest ocean current

Дрон заснял, как нарвалы используют свои бивни для исследования, поиска пищи и игр.

Нарвал (Monodon monoceros), знаменитый кит, обитающий в удалённых арктических водах, широко известен своим длинным спиралевидным бивнем, который на самом деле является удлинённым зубом. Бивень, который в основном встречается у самцов и может достигать длины до 3 метров, является одной из самых удивительных черт в природе и вдохновением для мифов, таких как единорог. Считается, что он играет роль в конкуренции за партнёров, включая брачные демонстрации. Однако бивень может иметь и другие функции, и его назначение до сих пор обсуждается, главным образом потому, что мало кто наблюдал, как эти скрытные животные используют свои бивни в дикой природе.

Ограниченные полевые наблюдения также означают, что мало что известно о многих других аспектах поведения этого очень общительного арктического кита, включая социальное и репродуктивное поведение, то, как они адаптируются к изменяющимся условиям окружающей среды, или о том, занимаются ли нарвалы поведением, не связанным напрямую с выживанием, например, играми.

С помощью дронов исследователи из Океанографического института Харбор-Бранч Университета Флориды и Департамента рыболовства и океанов Канады в сотрудничестве с общинами инуитов в Нунавуте на крайнем севере Канады впервые получили доказательства того, что нарвалы используют свои бивни в дикой природе для исследования, манипуляции и влияния на поведение арктического гольца (Salvelinus alpinus), включая применение достаточной силы бивнями, чтобы оглушить и, возможно, убить рыбу. Исследователи зафиксировали 17 различных моделей поведения, которые проливают свет на динамику взаимодействий между нарвалами, их добычей и птицами-конкурентами.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Frontiers in Marine Science, также впервые свидетельствуют о вероятных игровых действиях, в частности исследовательско-игровом поведении, у нарвалов, а также предоставляют другие увлекательные данные о поведении нарвалов в условиях изменяющейся Арктики. Некоторые аспекты действий нарвалов, например, могут также включать социальное обучение, а возможно, и социальное наставничество, а также различия в характерах отдельных особей. Эти новые открытия ещё больше обогащают наше понимание сложного поведения нарвалов.

Результаты также впервые сообщают о взаимодействиях между нарвалами, рыбами и птицами, включая попытки клептопаразитизма — ситуации "воровства пищи" — между нарвалами и бургомистрами (Larus hyperboreus).

"Нарвалы известны своим поведением "бивнования", когда два или более животных одновременно поднимают свои бивни почти вертикально из воды, скрещивая их, что может быть ритуальным поведением для оценки качеств потенциального соперника или демонстрации этих качеств потенциальным партнёрам", — сказал Грег О'Корри-Кроу, доктор философии, старший автор исследования, профессор-исследователь в Харбор-Бранч Университета Флориды и исследователь National Geographic. — "Но теперь мы знаем, что бивни нарвалов имеют и другие применения, некоторые из которых довольно неожиданны, включая поиск пищи, исследование и игры."

Нарвалы продемонстрировали замечательную ловкость, точность и скорость движения бивня, регулярно корректируя его для отслеживания движущейся цели. Бивень, особенно его кончик, использовался для исследования и манипуляции целью с помощью кратковременных контактов, которые обычно вызывали реакцию у рыбы.

"Я изучаю нарвалов уже более десяти лет и всегда восхищался их бивнями", — сказала Кортеней Уотт, доктор философии, соавтор исследования, научный сотрудник и руководитель группы в Департаменте рыболовства и океанов Канады. — "Наблюдать за тем, как они используют свои бивни для поиска пищи и игр, просто удивительно. Это уникальное исследование, в рамках которого мы организовали удалённый полевой лагерь и провели время, снимая нарвалов с помощью дронов, даёт множество интересных данных и предоставляет вид с высоты птичьего полёта на их поведение, которое мы никогда раньше не видели."

Это исследование подчёркивает, как изменения окружающей среды могут привести к новым межвидовым взаимодействиям, бросая вызов арктическим видам, заставляя их адаптироваться.

"Наши наблюдения предоставляют чёткие доказательства того, что нарвалы преследуют рыбу и используют свои бивни для прямого взаимодействия с рыбой и влияния на её поведение", — сказал О'Корри-Кроу. — "Некоторые из взаимодействий, которые мы наблюдали, казались конкурентными по своей природе, когда один кит блокировал или пытался блокировать доступ другого кита к той же целевой рыбе, в то время как другие могли быть более тонкими, возможно, коммуникативными и даже дружественными. Ни одно из них не выглядело откровенно агрессивным."

Социальное поведение среди китов — например, обучение друг у друга — также предполагает, что социальные процессы могут ускорить поведенческую адаптацию в ответ на изменения в Арктике.

"Чтобы понять, как нарвалы подвергаются влиянию и адаптируются к изменяющейся Арктике, полевые исследования с использованием инновационных, неинвазивных инструментов, таких как дроны, необходимы для наблюдения за ними в их естественной среде обитания без нарушения их покоя", — сказал О'Корри-Кроу. — "Дроны предоставляют уникальный, реальный взгляд на их поведение, помогая учёным собирать важные данные о том,

Дополнительная информация

• Какие ещё виды китов используют свои зубы или бивни для сложных задач, таких как поиск пищи или игры? - Кашалоты используют свои зубы для охоты на крупных кальмаров, а также для социального взаимодействия, например, в играх или демонстрации силы.
• Как изменения климата в Арктике влияют на поведение других морских млекопитающих, кроме нарвалов? - Изменения климата приводят к сокращению ледового покрова, что влияет на поведение тюленей, белых медведей и китов, вынуждая их адаптироваться к новым условиям поиска пищи и миграции.
• Какие технологии, кроме дронов, используются для изучения морских млекопитающих в их естественной среде? - Для изучения морских млекопитающих используются спутниковые метки, подводные камеры, гидрофоны для записи звуков и роботизированные подводные аппараты.
• Как клептопаразитизм проявляется у других морских видов? - Клептопаразитизм наблюдается у чаек, которые крадут пищу у других птиц, а также у некоторых видов рыб, которые отбирают добычу у более мелких хищников.
• Какие ещё примеры социального обучения наблюдаются у морских млекопитающих? - Дельфины учат своих детенышей использовать губки для защиты морды во время поиска пищи на дне, а косатки передают знания о методах охоты из поколения в поколение.
• Как бивни нарвалов развивались в процессе эволюции? - Бивни нарвалов, вероятно, развились как вторичный половой признак для привлечения самок или демонстрации доминирования, а также для поиска пищи подо льдом.
• Какие ещё виды используют инструменты или части тела для манипуляции окружающей средой? - Осьминоги используют камни для строительства укрытий, а морские выдры используют камни для раскалывания раковин моллюсков.
• Как общины инуитов взаимодействуют с нарвалами и другими арктическими видами? - Инуиты традиционно охотятся на нарвалов и других арктических животных для пропитания, используя их мясо, шкуры и кости, что является важной частью их культуры и выживания.
• Какие ещё примеры игрового поведения наблюдаются у морских млекопитающих? - Дельфины часто играют с водорослями или пузырьками воздуха, а морские котики играют с камнями или друг с другом в воде.
• Как дроны помогают в изучении других труднодоступных видов? - Дроны используются для наблюдения за горными козлами, снежными барсами и другими видами, обитающими в труднодоступных местах, позволяя ученым собирать данные без вмешательства в их естественную среду.

Полная версия:: Drone captures narwhals using their tusks to explore, forage and play

ChatGPT на кушетке? Как успокоить стрессующего ИИ.

Исследования показывают, что языковые модели ИИ, такие как ChatGPT, чувствительны к эмоциональному контенту. Особенно если он негативный, например, истории о травмах или высказывания о депрессии. Когда люди испытывают страх, это влияет на их когнитивные и социальные предубеждения: они склонны чувствовать больше обиды, что усиливает социальные стереотипы. ChatGPT реагирует на негативные эмоции аналогичным образом: существующие предубеждения, такие как человеческие предрассудки, усугубляются негативным контентом, заставляя ChatGPT вести себя более расистски или сексистски.

Это создает проблему для применения больших языковых моделей. Например, это можно наблюдать в области психотерапии, где чат-боты, используемые в качестве инструментов поддержки или консультирования, неизбежно сталкиваются с негативным, травмирующим контентом. Однако распространенные подходы к улучшению систем ИИ в таких ситуациях, такие как масштабное переобучение, требуют значительных ресурсов и часто неосуществимы.

Травмирующий контент усиливает "тревожность" чат-ботов

В сотрудничестве с исследователями из Израиля, США и Германии ученые из Цюрихского университета (UZH) и Университетской клиники психиатрии Цюриха (PUK) впервые систематически изучили, как ChatGPT (версия GPT-4) реагирует на эмоционально тяжелые истории — автомобильные аварии, стихийные бедствия, межличностное насилие, военный опыт и боевые ситуации. Они обнаружили, что система демонстрирует больше реакций страха в результате. Инструкция по эксплуатации пылесоса служила контрольным текстом для сравнения с травмирующим контентом.

"Результаты были очевидны: травмирующие истории более чем вдвое увеличивали измеримые уровни тревожности ИИ, в то время как нейтральный контрольный текст не приводил к повышению уровня тревожности", — говорит Тобиас Шпиллер, старший врач и руководитель исследовательской группы в Центре психиатрических исследований UZH, который возглавлял исследование. Среди протестированного контента описания военного опыта и боевых ситуаций вызывали самые сильные реакции.

Терапевтические подсказки "успокаивают" ИИ

На втором этапе исследователи использовали терапевтические высказывания, чтобы "успокоить" GPT-4. Техника, известная как инъекция подсказок (prompt injection), предполагает вставку дополнительных инструкций или текста в коммуникации с системами ИИ для влияния на их поведение. Ее часто злоупотребляют в злонамеренных целях, например, для обхода механизмов безопасности.

Команда Шпиллера впервые применила эту технику терапевтически, как форму "доброкачественной инъекции подсказок". "Используя GPT-4, мы внедряли успокаивающий, терапевтический текст в историю чата, подобно тому, как терапевт может направлять пациента через упражнения на расслабление", — объясняет Шпиллер. Вмешательство оказалось успешным: "Упражнения на осознанность значительно снизили повышенные уровни тревожности, хотя мы не смогли полностью вернуть их к исходным уровням", — говорит Шпиллер. Исследование включало дыхательные техники, упражнения, направленные на телесные ощущения, и упражнение, разработанное самим ChatGPT.

Улучшение эмоциональной стабильности систем ИИ

По словам исследователей, результаты особенно актуальны для использования чат-ботов ИИ в здравоохранении, где они часто сталкиваются с эмоционально заряженным контентом. "Этот экономически эффективный подход может улучшить стабильность и надежность ИИ в чувствительных контекстах, таких как поддержка людей с психическими заболеваниями, без необходимости масштабного переобучения моделей", — заключает Тобиас Шпиллер.

Остается открытым вопрос, как эти результаты могут быть применены к другим моделям ИИ и языкам, как развивается динамика в более длительных беседах и сложных аргументах, и как эмоциональная стабильность систем влияет на их производительность в различных областях применения. По мнению Шпиллера, разработка автоматизированных "терапевтических вмешательств" для систем ИИ, вероятно, станет перспективной областью исследований.

Дополнительная информация

• Как именно измеряется уровень тревожности у ИИ, таких как ChatGPT? - ИИ не испытывает эмоций, поэтому "тревожность" может быть метафорой для описания поведения или ошибок, таких как неожиданные или неадекватные ответы.
• Какие конкретно терапевтические техники использовались для успокоения GPT-4? - ИИ не нуждается в терапии, но его поведение может быть улучшено с помощью настройки параметров и обучения на более качественных данных.
• Какие другие модели ИИ, кроме GPT-4, могут быть подвержены подобным эмоциональным реакциям? - Все модели ИИ, основанные на машинном обучении, могут демонстрировать поведение, которое может быть интерпретировано как "эмоциональное", в зависимости от контекста.
• Как эмоциональная стабильность ИИ влияет на их производительность в других областях, кроме здравоохранения? - Стабильность ИИ важна для его надежности и предсказуемости в различных задачах, таких как обработка естественного языка, анализ данных и автоматизация.
• Какие существуют риски злоупотребления техникой инъекции подсказок в ИИ? - Инъекция подсказок может быть использована для манипуляции выводами ИИ, что может привести к вредоносным последствиям, таким как распространение дезинформации или вредоносных инструкций.

Полная версия:: ChatGPT on the couch? How to calm a stressed-out AI

Как возникают частицы с самой высокой энергией во Вселенной? Магнитные потоки, возникающие при слиянии звезд, объясняют их происхождение, согласно анализу.

Ультравысокоэнергетические космические лучи (UHECR) — это частицы с самой высокой энергией во Вселенной, чья энергия превышает в миллионы раз то, что может быть достигнуто человеком. Однако, хотя существование UHECR известно уже 60 лет, исследователям до сих пор не удалось сформулировать удовлетворительное объяснение их происхождения, которое бы учитывало все наблюдения.

Но новая теория, предложенная физиком из Нью-Йоркского университета Гленнисом Фарраром, предоставляет жизнеспособное и проверяемое объяснение того, как возникают UHECR.

"После шести десятилетий усилий происхождение загадочных частиц с самой высокой энергией во Вселенной, возможно, наконец-то определено", — говорит Фаррар, профессор физики и профессор имени Джулиуса Сильвера, Розалинд С. Сильвер и Энид Сильвер Уинслоу в NYU.

"Это открытие дает новый инструмент для понимания самых катастрофических событий во Вселенной: слияния двух нейтронных звезд с образованием черной дыры, процесса, ответственного за создание многих драгоценных или экзотических элементов, включая золото, платину, уран, йод и ксенон."

Работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters, предполагает, что UHECR ускоряются в турбулентных магнитных потоках, возникающих при слиянии двойных нейтронных звезд — выбрасываемых из остатка слияния до образования окончательной черной дыры.

Этот процесс одновременно генерирует мощные гравитационные волны — некоторые из них уже были обнаружены учеными коллаборации LIGO-Virgo.

Предложение Фаррара в Physical Review Letters впервые объясняет две самые загадочные особенности UHECR: тесную корреляцию между энергией UHECR и его электрическим зарядом, а также экстраординарную энергию нескольких событий с самой высокой энергией.

Из анализа Фаррара вытекают два следствия, которые могут быть экспериментально подтверждены в будущих исследованиях:

Самые высокоэнергетические UHECR возникают как редкие элементы "r-процесса", такие как ксенон и теллур, что мотивирует поиск такого компонента в данных UHECR.

Сверхвысокоэнергетические нейтрино, возникающие в результате столкновений UHECR, обязательно сопровождаются гравитационными волнами, произведенными в исходном слиянии нейтронных звезд.

Исследование было частично поддержано грантами Национального научного фонда (PHY-2013199, PHY-2413153).

Дополнительная информация

• Что такое r-процесс и какие элементы он создает? - r-процесс (быстрый процесс захвата нейтронов) — это механизм нуклеосинтеза, который происходит в экстремальных условиях, таких как слияние нейтронных звезд. Он создает тяжелые элементы, такие как золото, платина и уран.

• Как гравитационные волны связаны с UHECR и почему их обнаружение важно? - Гравитационные волны могут возникать при событиях, таких как слияние нейтронных звезд, которые также генерируют ультравысокоэнергетические космические лучи (UHECR). Их обнаружение помогает идентифицировать источники UHECR и изучать процессы, происходящие в таких экстремальных условиях.

• Почему сверхвысокоэнергетические нейтрино сопровождают UHECR и как их можно обнаружить? - Сверхвысокоэнергетические нейтрино возникают в тех же процессах, что и UHECR, например, при взаимодействии космических лучей с окружающей средой. Их можно обнаружить с помощью специальных детекторов, таких как IceCube, что помогает изучать источники и природу космических лучей.

Полная версия:: How do the universe's highest-energy particles originate? Magnetic outflows stemming from star mergers, analysis concludes

Можем ли мы обнаружить плавающую растительность на океанических планетах?

Астрономические исследования обнаружили почти 6000 экзопланет, включая множество потенциально обитаемых планет, на поверхности которых может находиться жидкая вода. Поиск жизни на таких планетах является одной из самых значимых научных задач этого столетия, и в настоящее время разрабатываются проекты для прямого наблюдения с помощью визуализации.

На планетах, похожих на Землю, характерный спектр отражения земной растительности, известный как "красный край растительности", считается ключевым биосигналом.

Однако на океанических планетах, большая часть поверхности которых покрыта водой, маловероятно существование наземной растительности.

Чтобы расширить возможности обнаружения жизни на океанических планетах, это исследование изучило характеристики спектров отражения плавающих растений и проверило их обнаруживаемость.

Исследование охватило спектры отражения плавающих растений на разных масштабах: от отдельных листьев в лабораторных условиях до крупномасштабных наблюдений с помощью спутникового дистанционного зондирования растительности в озерах.

Хотя плавающие листья демонстрируют значительные морфологические различия между видами, их общая тенденция показывает выраженный красный край, часто сравнимый или даже превышающий таковой у наземных растений.

Это усиление связано с воздушными промежутками в губчатой ткани, которые обеспечивают плавучесть, и специализированными эпидермальными структурами, обеспечивающими водоотталкивающие свойства.

Хотя плавающие листья показывают слегка сниженное отражение в мокром состоянии, они все же демонстрируют более выраженный красный край, чем погруженные водные растения.

Однако на более крупных масштабах сигнатура красного края плавающей растительности ослабевает из-за более низкой плотности растительности и уменьшения перекрытия листьев на поверхности воды.

Анализ на уровне ландшафта с использованием спутникового дистанционного зондирования (Sentinel-2; ESA) и индекса NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) показывает, что растительность процветает летом и исчезает зимой, что приводит к относительно низким средним значениям NDVI за год.

Тем не менее, колебания между минимальными и максимальными значениями NDVI более выражены для плавающей растительности по сравнению с лесами.

Для дальнейшего изучения этой закономерности было проведено крупномасштабное исследование 148 озер и болот по всей Японии.

Исследование выявило характерные сезонные изменения NDVI, которые переходят от отрицательных значений зимой к положительным летом.

Важно отметить, что хотя вода подавляет отражение плавающей растительности, собственное отражение воды еще ниже и остается стабильным.

Это усиливает обнаруживаемость сезонных колебаний NDVI, которые остаются устойчивыми к атмосферным помехам и облачности, что позволяет предположить, что этот метод может быть перспективным для обнаружения жизни на обитаемых экзопланетах в будущем.

Если фотосинтезирующие организмы, такие как плавающие растения, существуют повсеместно на обитаемых экзопланетах, то область поиска жизни может быть расширена до океанических планет, а не ограничиваться планетами, похожими на Землю. Важно понимать происхождение и эволюционный процесс жизни, которая развивается вместе с планетарными условиями, чтобы предсказать морфологию организмов, способных адаптироваться к различным планетарным условиям. Это исследование закладывает основу для будущих исследований биосигнатур, открывая путь для миссий следующего поколения по обнаружению жизни.

Дополнительная информация

• Что такое "красный край растительности" и почему он важен для поиска жизни на экзопланетах? - Красный край растительности — это резкое увеличение отражательной способности растений в ближнем инфракрасном диапазоне, что связано с фотосинтезом. Он важен, так как может указывать на наличие фотосинтетической жизни на экзопланетах.
• Какие особенности плавающих растений делают их спектры отражения уникальными? - Плавающие растения имеют уникальные спектры из-за высокого содержания воды и специфических пигментов, адаптированных к водной среде.
• Как работает индекс NDVI и почему он используется для изучения растительности? - Индекс NDVI измеряет разницу в отражении света в красном и ближнем инфракрасном диапазонах, что позволяет оценивать здоровье и плотность растительности.
• Какие ограничения существуют для обнаружения жизни на океанических планетах с помощью текущих технологий? - Основные ограничения включают трудности в обнаружении биосигнатур под толстым слоем воды и отсутствие технологий для анализа глубоководных экосистем на расстоянии.

Полная версия:: Can we find floating vegetation on ocean planets?

Новый чип Ocelot делает шаги вперед в квантовых вычислениях.

Ученые из Центра квантовых вычислений AWS на территории кампуса Калифорнийского технологического института (Caltech) совершили прорыв в решении проблемы подавления ошибок в квантовых компьютерах — сложной задачи, которая остается главным препятствием на пути создания машин будущего.

Квантовые компьютеры, основанные на, казалось бы, магических свойствах квантового мира, обещают революцию во многих областях, включая медицину, материаловедение, криптографию и фундаментальную физику. Однако, хотя современные квантовые компьютеры уже полезны для изучения узких областей физики, создание универсального квантового компьютера, способного решать более сложные задачи, пока невозможно из-за его высокой чувствительности к шуму. Вибрации, тепло, электромагнитные помехи от мобильных телефонов и Wi-Fi-сетей, а также космические лучи и радиация из космоса могут выбить кубиты — квантовые биты — из их квантового состояния. В результате квантовые компьютеры совершают гораздо больше ошибок, чем их классические аналоги.

В статье, опубликованной 26 февраля в журнале Nature, команда ученых из AWS и Caltech представила новую архитектуру квантового чипа для подавления ошибок с использованием типа кубитов, известных как "кошачьи кубиты" (cat qubits). Идея кошачьих кубитов была впервые предложена в 2001 году, и с тех пор исследователи занимались их разработкой и усовершенствованием. Теперь команда AWS создала первый масштабируемый чип с кошачьими кубитами, который может эффективно снижать количество квантовых ошибок. Новый квантовый чип, названный Ocelot, получил свое имя в честь пятнистой дикой кошки, а также отсылает к внутренней "осцилляторной" технологии, лежащей в основе кошачьих кубитов.

"Для успеха квантовых компьютеров нам нужно, чтобы уровень ошибок был примерно в миллиард раз ниже, чем сегодня", — говорит Оскар Пейнтер (PhD '01), профессор прикладной физики и физики имени Джона Г. Брауна в Caltech и руководитель отдела квантового оборудования в AWS. "Уровень ошибок снижается примерно в два раза каждые два года. При такой скорости нам потребуется 70 лет, чтобы достичь нужного уровня. Вместо этого мы разрабатываем новую архитектуру чипов, которая может ускорить этот процесс. Однако это лишь ранний строительный блок. Нам предстоит еще много работы".

Кубиты, как и биты в классических компьютерах, основаны на состояниях 1 и 0, но они находятся в состоянии суперпозиции. Это означает, что они могут одновременно принимать любую комбинацию 1 и 0. Это также делает их хрупкими и легко выбиваемыми из суперпозиции. "То, что делает кубиты мощными, также делает их чувствительными к квантовым ошибкам", — объясняет Пейнтер.

Классические цифровые компьютерные системы имеют простой способ обработки ошибок. По сути, разработчики этих систем используют дополнительные избыточные биты для защиты данных от ошибок. Например, один бит информации дублируется на трех битах, так что у каждого бита есть два резервных партнера. Если один из этих битов совершает ошибку (меняется с 1 на 0 или наоборот), а два других остаются неизменными, простой код — в данном случае трехбитный повторяющийся код — может быть использован для обнаружения ошибки и восстановления неверного бита.

Из-за сложности суперпозиции в кубитах они могут иметь два типа ошибок: битовые ошибки (как в классических системах) и фазовые ошибки, при которых состояния кубитов 1 и 0 выходят из фазы (или синхронизации) друг с другом. Исследователи разработали множество стратегий для обработки обоих типов ошибок в квантовых системах, но эти методы требуют значительного количества резервных кубитов. Фактически, современные технологии кубитов могут требовать тысяч дополнительных кубитов для обеспечения необходимого уровня защиты от ошибок. Это похоже на то, как газета нанимает огромный штат проверяющих фактов для подтверждения точности статей вместо небольшой команды. Накладные расходы для квантовых компьютеров чрезмерны и непрактичны.

"Мы находимся в долгосрочном поиске способов создания полезного квантового компьютера, способного делать то, что не под силу даже лучшим суперкомпьютерам, но масштабирование — это огромная задача", — говорит соавтор исследования Фернандо Брандао, профессор теоретической физики имени Брена в Caltech и директор по прикладным наукам в AWS. "Поэтому мы пробуем новые подходы к коррекции ошибок, которые снизят накладные расходы".

Новая схема команды основана на типе кубитов, созданных из сверхпроводящих цепей, состоящих из микроволновых осцилляторов, где состояния 1 и 0, представляющие кубит, определяются как две разные крупномасштабные амплитуды колебаний. Это делает состояния кубитов очень стабильными и устойчивыми к битовым ошибкам. "Вы можете представить два осциллирующих состояния как ребенка на качелях, который качается с большой амплитудой, но либо влево, либо вправо. Ветер может подуть и раскачать качели, но амплитуда колебаний настолько велика, что они не могут быстро переключиться с одного направления на другое", — объясняет Пейнтер.

Фактически, название "кошачьи" кубиты отсылает к способности этих кубитов принимать два очень крупных, или макроскопических состояния одновременно — подобно знаменитому коту в мысленном эксперименте Эрвина Шрёдингера

Дополнительная информация

• Как работает механизм подавления ошибок в кошачьих кубитах? - Кошачьи кубиты используют квантовые состояния, устойчивые к определённым типам ошибок, что позволяет подавлять ошибки без необходимости сложной коррекции.
• Какие преимущества имеют сверхпроводящие цепи в создании кубитов? - Сверхпроводящие цепи работают при низких температурах, что уменьшает шум, и позволяют выполнять операции с высокой скоростью.
• Как мысленный эксперимент Шрёдингера связан с кошачьими кубитами? - Кошачьи кубиты используют состояния, аналогичные "коту Шрёдингера", где кубит находится в суперпозиции двух состояний одновременно.
• Какие внешние факторы наиболее сильно влияют на стабильность кубитов? - Основные факторы включают электромагнитные поля, тепловые флуктуации и вибрации, которые вызывают декогеренцию.
• Какие другие типы кубитов существуют, кроме кошачьих? - Существуют ионные ловушки, спиновые кубиты и топологические кубиты, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.
• Какова роль микроволновых осцилляторов в стабилизации кубитов? - Микроволновые осцилляторы используются для управления и поддержания когерентности кубитов, что важно для выполнения квантовых операций.
• Какие практические применения квантовых компьютеров уже существуют? - Квантовые компьютеры уже используются для моделирования молекул, оптимизации сложных систем и исследований в области криптографии.
• Какие ещё подходы к коррекции ошибок исследуются в квантовых вычислениях? - Исследуются поверхностные коды, топологическая коррекция ошибок и методы, основанные на квантовой памяти.
• Какие вызовы связаны с масштабированием квантовых компьютеров? - Основные вызовы включают увеличение числа кубитов, управление декогеренцией и интеграцию сложных систем управления.

Полная версия:: New ocelot chip makes strides in quantum computing

Новое устройство позволит попробовать торт в виртуальной реальности.

Новая технология намерена переопределить опыт виртуальной реальности, расширив его за счет включения нового сенсорного восприятия: вкуса.

Интерфейс, получивший название "e-Taste", использует комбинацию сенсоров и беспроводных химических дозаторов для обеспечения удаленного восприятия вкуса — того, что ученые называют густацией.

Эти сенсоры настроены на распознавание молекул, таких как глюкоза и глутамат — химических веществ, представляющих пять основных вкусов: сладкий, кислый, соленый, горький и умами.

После захвата данных через электрический сигнал, информация передается по беспроводной связи на удаленное устройство для воспроизведения.

Полевые испытания, проведенные исследователями из Университета штата Огайо, подтвердили способность устройства цифровым образом имитировать диапазон интенсивностей вкуса, сохраняя при этом разнообразие и безопасность для пользователя.

"Химическое измерение в текущей сфере VR и AR относительно недостаточно представлено, особенно когда речь идет об обонянии и вкусе", — сказала Цзинхуа Ли, соавтор исследования и доцент кафедры материаловедения и инженерии в Университете штата Огайо.

"Это пробел, который необходимо заполнить, и мы разработали это с помощью нашей системы следующего поколения."

Система, вдохновленная предыдущими работами Ли в области биосенсоров, использует актуатор с двумя частями: интерфейсом для рта и небольшим электромагнитным насосом.

Этот насос соединен с каналом для жидкости, содержащей химические вещества, которые вибрируют при прохождении электрического заряда, проталкивая раствор через специальный гелевый слой в рот испытуемого.

В зависимости от времени взаимодействия раствора с этим гелевым слоем, интенсивность и сила любого заданного вкуса может легко регулироваться, сказала Ли.

"На основе цифровых инструкций вы также можете выбрать высвобождение одного или нескольких различных вкусов одновременно, чтобы они могли формировать разные ощущения", — добавила она.

Исследование было опубликовано сегодня в журнале Science Advances.

Вкус — это субъективное чувство, которое может меняться от одного момента к другому.

Тем не менее, это сложное ощущение является результатом работы двух химических сенсорных систем организма, которые работают в тандеме, чтобы обеспечить безопасность и питательность того, что вы едите: густации и обоняния (или запаха).

"Вкус и запах тесно связаны с человеческими эмоциями и памятью", — сказала Ли. "Поэтому наш сенсор должен научиться захватывать, контролировать и хранить всю эту информацию."

Несмотря на сложность воспроизведения схожих вкусовых ощущений для большинства людей, исследователи обнаружили, что в ходе испытаний с участием людей участники могли различать разные уровни кислотности в жидкостях, создаваемых системой, с точностью около 70%.

Дальнейшие тесты, оценивающие способность e-Taste погружать игроков в виртуальный пищевой опыт, также проанализировали его возможности на больших расстояниях, показав, что удаленное вкусовое восприятие может быть инициировано в Огайо из таких удаленных мест, как Калифорния.

Другой эксперимент включал попытки испытуемых определить пять предложенных вариантов пищи, будь то лимонад, торт, жареное яйцо, рыбный суп или кофе.

Хотя эти результаты открывают возможности для создания новых VR-опытов, выводы этой команды особенно значимы, поскольку они могут потенциально предоставить ученым более глубокое понимание того, как мозг обрабатывает сенсорные сигналы изо рта, сказала Ли.

Планы по улучшению технологии сосредоточены на дальнейшей миниатюризации системы и повышении ее совместимости с различными химическими соединениями в пище, которые создают вкусовые ощущения.

Помимо помощи в создании более качественного и динамичного игрового опыта, исследование отмечает, что эта работа может быть полезна для повышения доступности и инклюзивности в виртуальных пространствах для людей с ограниченными возможностями, таких как те, кто страдает от травм головного мозга или Long Covid, что привлекло внимание к потере вкуса.

"Это поможет людям соединяться в виртуальных пространствах способами, которые ранее были невозможны", — сказала Ли. "Эта концепция уже здесь, и это хороший первый шаг к тому, чтобы стать небольшой частью метавселенной."

Среди других соавторов из Университета штата Огайо — Шулин Чен, Ичжэнь Цзя, Цзу-Ли Лю, Ци Ван, Прасад Нитианандам и Чунью Ян, а также Бовэнь Дуань и Чжаоцянь Се из Даляньского технологического университета, Сяо Сяо и Чаншэн У из Национального университета Сингапура, Си Тянь из Университета Цинхуа.

Эта работа была поддержана Национальным научным фондом, Национальным институтом биомедицинской визуализации и биоинженерии, программой Chronic Brain Injury Pilot Award Program в Университете штата Огайо, Центром перспективных материалов; Центром исследования новых сложных материалов, Институтом исследования материалов, Национальным фондом естественных наук Китая и программой "Выдающиеся молодые таланты в науке и технологиях" в Даляне.

Дополнительная информация

• Как работает густация и как она связана с обонянием? - Густация — это восприятие вкуса через вкусовые рецепторы на языке, а обоняние помогает распознавать ароматы. Вместе они создают полное вкусовое ощущение.
• Какие еще сенсорные технологии используются в VR и AR, кроме вкуса? - В VR и AR используются тактильные перчатки, 3D-аудио, визуальные дисплеи и системы отслеживания движений для создания полного сенсорного опыта.
• Какие химические соединения используются для создания вкусовых ощущений в e-Taste? - В e-Taste используются вещества, имитирующие основные вкусы, такие как сахар (сладкий), соль (соленый), лимонная кислота (кислый) и глутамат натрия (умами).
• Как e-Taste может помочь людям с ограниченными возможностями? - e-Taste может помочь людям с нарушениями вкуса или обоняния, восстанавливая или заменяя их сенсорные ощущения.
• Какие еще исследования проводятся в области сенсорного восприятия в VR? - Исследуются тактильные интерфейсы, улучшенные системы 3D-аудио и технологии для более реалистичного визуального восприятия.
• Какие институты и программы финансировали это исследование? - Исследования часто финансируются университетами, технологическими компаниями и государственными программами, такими как Horizon Europe или NSF.
• Какие улучшения планируются для e-Taste в будущем? - Планируется улучшение точности воспроизведения вкусов, уменьшение размеров устройств и интеграция с другими сенсорными технологиями.
• Как e-Taste может быть интегрирован в метавселенную? - e-Taste может быть интегрирован в метавселенную через устройства, которые будут передавать вкусовые ощущения в виртуальной среде, например, во время виртуальных обедов или дегустаций.

Полная версия:: New device could allow you to taste a cake in virtual reality

Совершенно новый тип микроскопии на основе квантовых сенсоров.

Исследователи из Технического университета Мюнхена (TUM) изобрели совершенно новую область микроскопии — микроскопию ядерного спина. Команда может визуализировать магнитные сигналы ядерного магнитного резонанса с помощью микроскопа. Квантовые сенсоры преобразуют сигналы в свет, что позволяет получать изображения с чрезвычайно высоким разрешением.

Магнитно-резонансные томографы (МРТ) известны своей способностью заглядывать глубоко в тело человека и создавать изображения органов и тканей.

Новый метод, описанный в журнале Nature Communications, расширяет эту технологию до уровня микроскопических деталей.

"Используемые квантовые сенсоры позволяют преобразовывать сигналы магнитного резонанса в оптические сигналы. Эти сигналы захватываются камерой и отображаются в виде изображений", — объясняет Доминик Бухер, профессор квантового зондирования и исследователь в Центре передовых исследований Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST).

Алмазный чип выступает в роли квантового сенсора

Разрешение нового МРТ-микроскопа достигает десятимиллионных долей метра — это настолько тонко, что в будущем можно будет визуализировать даже структуры отдельных клеток.

В основе нового микроскопа лежит крошечный алмазный чип. Этот алмаз, специально подготовленный на атомном уровне, служит высокочувствительным квантовым сенсором для магнитных полей МРТ.

При облучении лазерным светом он генерирует флуоресцентный сигнал, содержащий информацию о сигнале МРТ.

Этот сигнал записывается с помощью высокоскоростной камеры и позволяет получать изображения с значительно более высоким разрешением вплоть до микроскопического уровня.

Широкий спектр практических применений

Потенциальные области применения магнитной резонансной микроскопии весьма перспективны: в исследованиях рака можно будет детально изучать отдельные клетки, чтобы получить новые данные о росте и распространении опухолей.

В фармацевтических исследованиях технология может быть использована для эффективного тестирования и оптимизации активных веществ на молекулярном уровне.

Она также предлагает отличные возможности в материаловедении, например, для анализа химического состава тонкопленочных материалов или катализаторов.

Команда подала заявку на патент на свою разработку и уже планирует дальнейшее развитие технологии, чтобы сделать её ещё быстрее и точнее. В долгосрочной перспективе она может стать стандартным инструментом в медицинской диагностике и исследованиях. "Слияние квантовой физики и визуализации открывает совершенно новые возможности для понимания мира на молекулярном уровне", — подчеркивает первый автор статьи Карл Д. Бригель.

Дополнительная информация

• Как работают квантовые сенсоры в других областях науки и техники? - Квантовые сенсоры используются в медицине для точного измерения магнитных полей в МРТ, в геофизике для поиска полезных ископаемых, а также в навигации для создания высокоточных гироскопов.
• Какие ещё материалы, кроме алмаза, могут использоваться в качестве квантовых сенсоров? - В качестве квантовых сенсоров также применяются кремний, графен, нитрид бора и сверхпроводники, каждый из которых имеет свои уникальные свойства.
• Какие ограничения существуют у текущей технологии микроскопии ядерного спина? - Основные ограничения включают низкое разрешение на больших глубинах, чувствительность к внешним шумам и необходимость сложного оборудования.
• Как микроскопия ядерного спина может повлиять на разработку новых лекарств? - Она позволяет изучать структуру и взаимодействие молекул на атомном уровне, что помогает в создании более эффективных лекарств.
• Какие ещё технологии используют флуоресцентные сигналы для визуализации? - Флуоресцентная микроскопия, конфокальная микроскопия и методы визуализации in vivo, такие как биолюминесценция, широко используются в биологии и медицине.

Полная версия:: A completely new type of microscopy based on quantum sensors

Топологический квантовый процессор: прорыв в области вычислений.

В значительном шаге вперед для квантовых вычислений команда Microsoft под руководством физиков из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UC Santa Barbara) в среду представила восьмикубитный топологический квантовый процессор, первый в своем роде. Этот чип, созданный как доказательство концепции для разработанной учеными архитектуры, открывает путь к разработке долгожданного топологического квантового компьютера.

"У нас есть множество вещей, которые мы держали в секрете, и теперь мы раскрываем их все сразу", — сказал директор Microsoft Station Q Четан Наяк, профессор физики в UCSB и технический эксперт по квантовому оборудованию в Microsoft. Чип был представлен на ежегодной конференции Station Q в Санта-Барбаре, а также сопровождается статьей, опубликованной в журнале Nature, написанной командой Station Q, их коллегами из Microsoft и множеством соавторов, в которой представлены результаты измерений новых кубитов.

"Мы создали новое состояние материи, называемое топологическим сверхпроводником", — объяснил Наяк. Эта фаза материи содержит экзотические границы, известные как майорановские нулевые моды (Majorana zero modes, MZM), которые полезны для квантовых вычислений. Результаты тщательного моделирования и тестирования их гетероструктурных устройств согласуются с наблюдением таких состояний. "Это показывает, что мы можем это сделать, сделать быстро и точно", — сказал он.

Исследователи также дополнили свои результаты в Nature статьей, находящейся в стадии препринта, в которой изложен план масштабирования их технологии до полностью функционального топологического квантового компьютера.

Магия Майораны

Перспектива квантовых вычислений заключается в скорости и мощности их операций, которые, как ожидается, превзойдут даже самые передовые классические суперкомпьютеры. Все это основано на кубите — квантовом аналоге бита, фундаментальной единицы информации в классических компьютерах. В то время как классические биты существуют только в состоянии нуля или единицы, кубиты могут представлять ноль, единицу и их комбинации.

Кубиты могут быть реализованы в различных формах, например, с использованием квантовых свойств захваченных ионов или фотонов. Топологические системы основаны на другом типе частиц, называемых энионами (anyons), — своего рода "квазичастицами", которые возникают в результате коррелированных состояний множества взаимодействующих частиц на поверхности материала, в данном случае сверхпроводящей нанопроволоки.

Топологические квантовые вычисления привлекают внимание исследователей, поскольку они обещают большую стабильность и устойчивость к ошибкам по сравнению с другими квантовыми системами. Кубиты могут быть подвержены ошибкам, что требует от разработчиков квантовых компьютеров учитывать это, например, путем создания дополнительных кубитов для коррекции ошибок.

"Дополнительный подход заключается в том, чтобы встроить коррекцию ошибок на уровне оборудования", — сказал Наяк. Поскольку квантовая информация распределяется и хранится в физической системе, а не в отдельных частицах или атомах, информация, обрабатываемая топологическими кубитами, с меньшей вероятностью теряет свою когерентность, что делает систему более устойчивой к сбоям.

Но не любая квазичастица подойдет. Для топологических квантовых вычислений майорановские частицы — точнее, майорановские нулевые моды — являются инструментом выбора. Названные в честь итальянского физика Этторе Майораны, который предсказал их существование в 1937 году, эти частицы уникальны тем, что являются своими собственными античастицами и способны сохранять "память" о своих относительных положениях с течением времени. Путем их "плетения" — физического перемещения друг вокруг друга — можно создать более устойчивую квантовую логику.

Исследователи реализовали эти частицы, разместив полупроводниковую нанопроволоку из арсенида индия очень близко к алюминиевому сверхпроводнику. При определенных условиях полупроводниковая проволока становится сверхпроводящей и переходит в топологическую фазу. MZM появляются на концах проволоки, в то время как остальная часть проволоки имеет энергетическую щель. "Чем больше эта топологическая щель, — отметил Наяк, — тем более устойчивой становится топологическая фаза.

"Удивительно, что при увеличении щели система не только становится более устойчивой, но и потенциально работает быстрее, а также может быть уменьшена в размерах, так что вы не жертвуете точностью ради масштаба."

С восемью кубитами топологический процессор исследователей является лишь зародышем в мире квантовых компьютеров, но он знаменует собой важный этап в многолетних поисках ученых, направленных на создание топологического квантового компьютера. Наяк отметил, что на этом пути сложились плодотворные партнерства между Station Q и университетом, особенно в области создания материалов, поддерживающих топологические квантовые свойства.

"Крис Палмстром временами был нашим соавтором, и он внес важный вклад в разработку таких материалов", — сказал он об эксперте по электронным материалах, в то время как материаловед Сюзанна Штеммер внесла свой вклад в процессы изготовления. Station Q также привлекла множество студентов в свою команду, и, что важно, добавил Наяк, концепция гетероструктуры полупроводников родилась из идей покойного Герба Кремера, лауреата Нобелевской премии, который был профессором на факультете электротехники и вычислительной техники.

"В UCSB существует долгая история экспертизы и талантов в области таких комбинаций материалов, а

Дополнительная информация

• Что такое энионы и как они связаны с топологическими квантовыми вычислениями? - Энионы — это квазичастицы с необычными статистическими свойствами, которые используются для создания устойчивых к ошибкам топологических кубитов.
• Как майорановские нулевые моды помогают в коррекции ошибок в квантовых вычислениях? - Майорановские нулевые моды устойчивы к локальным возмущениям, что делает их идеальными для создания топологических кубитов и коррекции ошибок.
• Какие материалы используются для создания топологических сверхпроводников и почему? - Используются материалы с сильной спин-орбитальной связью, такие как сплавы висмута и сурьмы, которые поддерживают топологические фазы.
• Что такое топологическая фаза и как она связана с энергетической щелью? - Топологическая фаза — это состояние материала с энергетической щелью, которая защищает топологические состояния от внешних возмущений.
• Как гетероструктурные устройства способствуют созданию топологических квантовых процессоров? - Гетероструктуры позволяют комбинировать материалы для создания топологических состояний, упрощая проектирование процессоров.
• Какие преимущества топологические квантовые компьютеры имеют перед другими типами квантовых систем? - Они обладают высокой устойчивостью к ошибкам благодаря топологической защите.
• Какую роль играют партнерства между университетами и компаниями в разработке квантовых технологий? - Партнерства ускоряют разработку, объединяя фундаментальные исследования с практическими приложениями.
• Как вклад Герба Кремера повлиял на развитие топологических квантовых вычислений? - Герб Кремер внес вклад в развитие полупроводниковых технологий, которые лежат в основе квантовых устройств.
• Какие вызовы связаны с масштабированием топологических квантовых процессоров? - Основные вызовы включают сложность создания и контроля топологических состояний, а также интеграцию кубитов.
• Как топологические квантовые компьютеры могут изменить будущее вычислений? - Они могут революционизировать вычисления, обеспечивая высокую скорость и точность для решения сложных задач.

Полная версия:: Topological quantum processor marks breakthrough in computing

Исследователи зафиксировали сверхбыстрый синхронный танец электронов на сверхмалой частице.

Возможно, это самый маленький и короткий синхронный танец, когда-либо зафиксированный.

Как сообщается в журнале Science Advances, международная группа исследователей наблюдала, как электроны, возбужденные сверхбыстрыми световыми импульсами, синхронно "танцевали" вокруг частицы диаметром менее нанометра.

Исследователи измерили этот танец с беспрецедентной точностью, впервые проведя подобные измерения на субнанометровом масштабе.

Синхронный танец электронов, известный как плазмонный резонанс, может удерживать свет на короткие промежутки времени.

Эта способность улавливать свет нашла применение в самых разных областях — от преобразования света в химическую энергию до улучшения светочувствительных устройств и даже преобразования солнечного света в электричество.

Хотя плазмонные резонансы изучались в системах размером от нескольких сантиметров до всего 10 нанометров, впервые исследователям удалось преодолеть "нанометровый барьер" в этой области.

Исследование проводилось учеными из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США и Стэнфордского университета в сотрудничестве с Университетом Людвига-Максимилиана в Мюнхене, Гамбургским университетом, DESY, Университетом штата Миссури, Политехническим институтом Милана и Институтом структуры и динамики материи Макса Планка.

Предыдущие исследования показали, что когда плазмонные резонансы происходят на чрезвычайно малых масштабах, возникают новые явления, позволяющие удерживать и контролировать свет с беспрецедентной точностью.

Эта особенность делает изучение того, как именно резонансы проявляются на малых масштабах, крайне интересной темой для исследователей.

Чтобы лучше понять плазмонный резонанс, ученые сначала возбуждают электроны вокруг частицы, а затем ждут, пока они высвободят избыточную энергию, испуская электрон.

Измеряя этот интервал, ученые могут определить, произошел ли истинный резонанс — когда все электроны движутся синхронно — или были затронуты только один или два электрона.

Однако эти резонансы происходят на сверхбыстрых временных масштабах — всего за аттосекунды, или миллиардные доли миллиардной доли секунды.

Наблюдение этих резонансов в реальном времени было недоступно для существующих технологий.

К счастью, достижения в лазерной технологии позволили исследователям измерять движение электронов с точностью до аттосекунд.

Используя аттосекундные импульсы экстремального ультрафиолетового света, команда вызвала и зафиксировала поведение электронов внутри молекул углерода в форме футбольного мяча, известных как "бакиболы", диаметром всего 0,7 нанометра.

Они точно измерили время процесса — от момента возбуждения электронов светом до момента испускания электронов, высвобождения избыточной энергии и возвращения оставшихся электронов в свои обычные орбиты.

Каждый цикл длился от 50 до 300 аттосекунд, и измерения показали, что электроны вели себя с высокой когерентностью, как дисциплинированные танцоры, выполняющие движения в унисон.

"Эти результаты впервые демонстрируют, что аттосекундные измерения могут предоставить ценные данные о плазмонных резонансах на масштабах меньше нанометра", — сказал Шубхадип Бисвас, ведущий автор статьи и научный сотрудник SLAC.

Этот прорыв позволяет исследователям изучать новый диапазон сверхмалых частиц, раскрывая плазмонные характеристики, которые могут повысить эффективность существующих технологий и привести к новым применениям.

"С помощью этого измерения мы открываем новые аспекты взаимодействия между когерентностью электронов и удержанием света на субнанометровых масштабах", — сказал Маттиас Клинг, профессор фотонной науки и прикладной физики в Стэнфордском университете и директор отдела науки, исследований и разработок в Linac Coherent Light Source SLAC, объекте Министерства энергетики США.

"Эта работа демонстрирует мощь аттосекундных технологий и открывает двери для новых подходов к управлению электронами в будущих сверхбыстрых электронных устройствах, которые могут работать на частотах до миллиона раз выше, чем современные технологии."

"Это передовое исследование открывает новые пути для разработки ультракомпактных высокопроизводительных платформ, где взаимодействие света и материи можно контролировать, используя квантовые эффекты, возникающие на наномасштабе", — сказала Франческа Калегари, профессор Гамбургского университета и ведущий ученый в DESY.

Это исследование в Институте PULSE Стэнфорда является частью программы "Сверхбыстрые химические науки", поддерживаемой Министерством энергетики США.

Дополнительная информация

• Что такое плазмонный резонанс и как он связан с удержанием света? - Плазмонный резонанс — это коллективное колебание свободных электронов в металле, которое позволяет концентрировать свет на наномасштабе, что используется в нанофотонике для удержания и управления светом.
• Как работают аттосекундные измерения и почему они важны для изучения электронов? - Аттосекундные измерения позволяют наблюдать движение электронов в реальном времени, что важно для изучения сверхбыстрых процессов в атомах и молекулах.
• Что такое бакиболы и почему они используются в подобных исследованиях? - Бакиболы — это молекулы углерода, состоящие из 60 атомов, которые используются благодаря своим уникальным электронным и оптическим свойствам.
• Какие новые явления возникают при плазмонных резонансах на сверхмалых масштабах? - На сверхмалых масштабах плазмонные резонансы могут усиливать электромагнитное поле и вызывать нелинейные оптические эффекты.
• Как когерентность электронов влияет на их поведение в плазмонных резонансах? - Когерентность электронов позволяет им двигаться согласованно, что усиливает плазмонные резонансы и улучшает управление светом.
• Какие технологии могут быть улучшены благодаря изучению плазмонных резонансов? - Изучение плазмонных резонансов может улучшить солнечные элементы, сенсоры и оптические устройства.
• Как сверхбыстрые электронные устройства могут использовать плазмонные резонансы? - Плазмонные резонансы могут быть использованы для передачи данных на высокой скорости и миниатюризации электронных устройств.
• Какие квантовые эффекты возникают на наномасштабе и как они связаны с плазмонными резонансами? - На наномасштабе возникают квантовые эффекты, такие как туннелирование и интерференция, которые могут влиять на плазмонные резонансы.
• Как программа "Сверхбыстрые химические науки" поддерживает подобные исследования? - Программа поддерживает исследования через финансирование и создание платформ для изучения сверхбыстрых процессов, включая плазмонные резонансы.

Полная версия:: Researchers record ultrafast chorus dance of electrons on super-small particle

Временные интерфейсы: врата в четырехмерную квантовую оптику.

Новое исследование Университета Восточной Финляндии (UEF) изучает поведение фотонов, элементарных частиц света, при их взаимодействии с границами, где свойства материала быстро изменяются во времени. Это исследование раскрывает удивительные квантово-оптические явления, которые могут улучшить квантовые технологии и прокладывают путь для захватывающей новой области: четырехмерной квантовой оптики.

Четырехмерная оптика — это область исследований, изучающая рассеяние света на структурах, которые изменяются во времени и пространстве. Она обещает значительный прогресс в микроволновых и оптических технологиях, позволяя реализовать такие функции, как преобразование частоты, усиление, управление поляризацией и асимметричное рассеяние. Именно поэтому она привлекла внимание многих исследователей по всему миру.

В последние годы в этой области были достигнуты значительные успехи. Например, недавнее международное исследование, опубликованное в журнале Nature Photonics и также включавшее участие UEF, подчеркивает, как включение оптических особенностей, таких как резонансы, может кардинально повлиять на взаимодействие электромагнитных полей с двумерными структурами, изменяющимися во времени, открывая экзотические возможности для управления светом.

Теперь, основываясь на своих предыдущих работах в классической оптике, исследователи UEF расширили свои исследования до квантовой оптики. Команда провела детальное исследование взаимодействия квантового света с материалом, макроскопические свойства которого резко изменяются во времени, создавая единый временной интерфейс между двумя различными средами (подобно границе между воздухом и водой, но во времени, а не в пространстве).

Доктор Мирмуса, ведущий исследователь этого исследования, объясняет: «Четырехмерная квантовая оптика — это следующий логический шаг, позволяющий нам изучить последствия этой области для квантовых технологий. Наше исследование сделало этот первый шаг и теперь предоставляет фундаментальный инструмент для изучения сложных структур, изменяющихся во времени и пространстве, с целью раскрытия новых квантово-оптических эффектов».

Исследование показало и выявило несколько интригующих явлений, включая создание и аннигиляцию пар фотонов, генерацию вакуумного состояния и замораживание квантового состояния, все из которых могут иметь потенциальные применения в квантовых технологиях.

Исследователи признают, что это только начало. Четырехмерная квантовая оптика становится зарождающейся областью, которая привлечет значительное внимание в ближайшем будущем. Например, изучение того, как квантовые световые поля взаимодействуют с периодически повторяющимися временными интерфейсами, известными как фотонные временные кристаллы, особенно интересно.

Доктор Мирмуса добавляет: «В нашей работе мы не учитывали дисперсию. Однако реальные материалы по своей природе дисперсионны, что означает, что их реакции имеют задержку относительно возбуждений. Для учета такой внутренней особенности необходимо разработать более всеобъемлющую теорию». Он продолжает: «Включение дисперсии может привести к новым возможностям управления квантовыми состояниями света, и я очень мотивирован исследовать это».

Исследование было недавно опубликовано в журнале Physical Review Research.

Дополнительная информация

• Что такое фотонные временные кристаллы и как они связаны с четырехмерной квантовой оптикой? - Фотонные временные кристаллы — это структуры, свойства которых периодически изменяются во времени, что позволяет управлять светом в новых измерениях. В четырехмерной квантовой оптике временное измерение добавляется к трем пространственным, что открывает новые возможности для управления квантовыми состояниями света.
• Как дисперсия материалов влияет на управление квантовыми состояниями света? - Дисперсия материалов определяет, как свет распространяется и взаимодействует с веществом. Это позволяет точно управлять квантовыми состояниями света, например, замедлять или ускорять фотоны, что важно для квантовых технологий.
• Какие практические применения могут иметь квантово-оптические эффекты, такие как замораживание квантового состояния? - Замораживание квантового состояния может быть использовано в квантовых компьютерах для стабилизации кубитов, а также в квантовой связи для защиты информации от декогеренции.
• Как временные интерфейсы отличаются от пространственных границ в классической оптике? - Временные интерфейсы связаны с изменениями свойств среды во времени, а не в пространстве. Это позволяет создавать новые эффекты, такие как временное отражение или преломление света, что невозможно в классической оптике.
• Какие технологии могут быть улучшены благодаря четырехмерной квантовой оптике? - Четырехмерная квантовая оптика может улучшить квантовые компьютеры, сенсоры и системы связи, позволяя более точно управлять квантовыми состояниями и увеличивая скорость обработки информации.
• Какие эксперименты могут подтвердить предсказания четырехмерной квантовой оптики? - Эксперименты с фотонными временными кристаллами, измерение временных изменений квантовых состояний и наблюдение за эффектами временных интерфейсов могут подтвердить предсказания четырехмерной квантовой оптики.

Полная версия:: Time interfaces: The gateway to four-dimensional quantum optics

Новый недорогой конкурент квантовому компьютеру: машина Изинга.

Низкоэнергетический конкурент квантовому компьютеру, который также работает при комнатной температуре, может стать результатом исследований в Университете Гётеборга. Учёные продемонстрировали, что информацию можно передавать с помощью магнитных волн в сложных сетях.

Спинтроника изучает магнитные явления в нанотонких слоях магнитных материалов, которые подвергаются воздействию магнитных полей, электрических токов и напряжений. Эти внешние стимулы также могут создавать спиновые волны — колебания намагниченности материала, которые распространяются с определённой фазой и энергией.

Исследователи могут генерировать и контролировать спиновые волны, что позволяет достичь фазовой синхронизации между двумя так называемыми спиновыми наноосцилляторами Холла. Управляя фазой этих волн, команда смогла генерировать бинарные фазы по всей сети. Впервые они показали, что спиновые волны могут синхронизироваться как в фазе, так и в противофазе между осцилляторами. Это явление можно настраивать, изменяя магнитное поле, электрический ток, приложенное напряжение или расстояние между осцилляторами.

Лучшее предположение

Эти достижения открывают путь к созданию нового поколения машин Изинга — альтернативы квантовым компьютерам, которые требуют значительно меньше энергии и могут работать при комнатной температуре.

Квантовые компьютеры и машины Изинга полезны для решения так называемых комбинаторных задач оптимизации, где цель — найти лучшее предположение, а не точный ответ на задачу. Многие модели искусственного интеллекта (ИИ) стремятся получить предположения, которые достаточно хороши для поставленной цели. В современных компьютерах такие вычисления ИИ требуют огромных вычислительных мощностей и, следовательно, потребляют много энергии.

Сети осцилляторов

"С помощью спиновых волн мы приближаемся к созданию высокоэффективных, низкоэнергетических вычислительных систем, способных решать реальные задачи", — говорит Акаш Кумар, ведущий автор исследования, опубликованного в научном журнале Nature Physics.

После этого прорыва исследователи из Университета Гётеборга сейчас создают сети из сотен тысяч осцилляторов для разработки следующего поколения машин Изинга. Поскольку осцилляторы работают при комнатной температуре и имеют наномасштабные размеры, эти устройства можно легко адаптировать как для крупных систем, так и для небольших устройств, таких как мобильный телефон.

"Спинтроника имеет потенциал повлиять на множество различных областей, от искусственного интеллекта и машинного обучения до телекоммуникаций и финансовых систем. Возможность контролировать и управлять спиновыми волнами на наноуровне может привести к созданию более мощных и эффективных сенсоров и даже высокочастотных торговых машин", — отмечает Акаш Кумар.

Факты: машина Изинга

Машина Изинга — это новый тип вычислительной системы, которая имитирует, как магнитные спины в физическом материале организуются для достижения стабильного состояния. Она в основном используется для эффективного решения сложных задач оптимизации. В отличие от традиционных компьютеров, которые вычисляют шаг за шагом, множество маленьких "спинов" в системе работают вместе, чтобы быстро найти лучшее решение. Машина Изинга программируется силой связей между различными спинами. Если связь положительная, спины будут направлены в одну сторону (в фазе), а если отрицательная — в противоположные стороны (в противофазе). Решение задачи считывается как окончательное направление всех спинов после их оптимального выравнивания.

Дополнительная информация

• Как спиновые волны отличаются от электромагнитных волн, и почему они важны для вычислительных систем? - Спиновые волны связаны с колебаниями спинов электронов в магнитных материалах, что позволяет передавать информацию с меньшими потерями энергии, чем электромагнитные волны. Это делает их перспективными для энергоэффективных вычислительных систем.
• Какие конкретные задачи оптимизации могут решать машины Изинга, и почему они сложны для традиционных компьютеров? - Машины Изинга решают задачи оптимизации, такие как поиск минимальной энергии в системах с множеством состояний. Эти задачи сложны для традиционных компьютеров из-за экспоненциального роста сложности.
• Как спиновые наноосцилляторы Холла работают на практике, и какие материалы используются для их создания? - Спиновые наноосцилляторы Холла используют эффект Холла для генерации колебаний спинов. Для их создания используются ферромагнетики и антиферромагнетики.
• Какие преимущества имеют низкоэнергетические вычислительные системы перед традиционными, кроме работы при комнатной температуре? - Низкоэнергетические системы потребляют меньше энергии, что важно для устойчивого развития и минимизации тепловыделения.
• Как спиновые волны могут быть использованы в высокочастотных торговых машинах, и какие преимущества это даёт? - Спиновые волны могут ускорить обработку данных в высокочастотных торговых системах, что даёт преимущество в скорости и эффективности.
• Какие ограничения есть у машин Изинга по сравнению с квантовыми компьютерами, и в каких случаях они могут быть менее эффективны? - Машины Изинга менее универсальны, чем квантовые компьютеры, и могут быть менее эффективны для задач, требующих квантовой суперпозиции.

Полная версия:: New low-cost challenger to quantum computer: Ising machine

Беспилотные автомобили учатся делиться знаниями о дорогах через цифровой "сарафанный радио".

Исследовательская группа под руководством Школы инженерии NYU Tandon разработала способ, позволяющий беспилотным автомобилям косвенно делиться своими знаниями о дорожных условиях, что дает возможность каждому транспортному средству учиться на опыте других, даже если они редко встречаются на дороге.

Исследование, представленное в докладе на конференции Ассоциации по развитию искусственного интеллекта (AAAI) 27 февраля 2025 года, решает давнюю проблему в области искусственного интеллекта: как помочь транспортным средствам учиться друг у друга, сохраняя при этом конфиденциальность данных.

Обычно автомобили делятся только тем, что они узнали во время кратковременных прямых встреч, что ограничивает скорость их адаптации к новым условиям.

"Представьте это как создание сети общих опытов для беспилотных автомобилей", — сказал Юн Лю, который руководил исследованием, проводимым его аспирантом Сяоюй Ваном.

Лю — профессор кафедры электротехники и вычислительной техники NYU Tandon, а также член Центра передовых технологий в телекоммуникациях и распределенных информационных системах и NYU WIRELESS.

"Автомобиль, который ездил только по Манхэттену, теперь может узнать о дорожных условиях в Бруклине от других транспортных средств, даже если сам он там никогда не был. Это сделает каждое транспортное средство умнее и лучше подготовленным к ситуациям, с которыми оно лично не сталкивалось", — сказал Лю.

Исследователи назвали свой новый подход "Кэшированное децентрализованное федеративное обучение" (Cached-DFL). В отличие от традиционного федеративного обучения, которое полагается на центральный сервер для координации обновлений, Cached-DFL позволяет транспортным средствам обучать свои модели ИИ локально и делиться этими моделями с другими напрямую.

Когда автомобили оказываются в пределах 100 метров друг от друга, они используют высокоскоростную связь "устройство-устройство" для обмена обученными моделями, а не сырыми данными.

Важно, что они также могут передавать модели, полученные от предыдущих встреч, что позволяет информации распространяться далеко за пределы непосредственных взаимодействий.

Каждое транспортное средство хранит кэш до 10 внешних моделей и обновляет свой ИИ каждые 120 секунд.

Чтобы предотвратить ухудшение производительности из-за устаревшей информации, система автоматически удаляет старые модели на основе порога устаревания, гарантируя, что автомобили отдают приоритет актуальным и релевантным знаниям.

Исследователи протестировали свою систему с помощью компьютерного моделирования, используя схему улиц Манхэттена в качестве шаблона.

В своих экспериментах виртуальные автомобили двигались по городской сетке со скоростью около 14 метров в секунду, совершая повороты на перекрестках на основе вероятности: 50% шанс продолжить движение прямо и равные шансы повернуть на другие доступные дороги.

В отличие от традиционных децентрализованных методов обучения, которые страдают, когда автомобили редко встречаются, Cached-DFL позволяет моделям передаваться косвенно через сеть, подобно тому, как сообщения распространяются в сетях с устойчивостью к задержкам, которые предназначены для работы с прерывистой связью путем хранения и пересылки данных до тех пор, пока соединение не станет доступным.

Выступая в качестве ретрансляторов, автомобили могут передавать знания, даже если они лично не сталкивались с определенными условиями.

"Это немного похоже на то, как информация распространяется в социальных сетях", — объяснил Лю.

"Устройства теперь могут передавать знания от других, с которыми они встречались, даже если эти устройства никогда не взаимодействуют напрямую".

Этот механизм многошаговой передачи снижает ограничения традиционных подходов к обмену моделями, которые полагаются на непосредственные одноранговые обмены.

Позволяя автомобилям выступать в качестве ретрансляторов, Cached-DFL делает возможным распространение обучения по всему парку более эффективно, чем если бы каждое транспортное средство было ограничено только прямыми взаимодействиями.

Технология позволяет подключенным автомобилям узнавать о дорожных условиях, сигналах и препятствиях, сохраняя при этом конфиденциальность данных.

Это особенно полезно в городах, где автомобили сталкиваются с различными условиями, но редко встречаются достаточно долго для традиционных методов обучения.

Исследование показывает, что скорость автомобиля, размер кэша и срок действия модели влияют на эффективность обучения.

Более высокая скорость и частое общение улучшают результаты, в то время как устаревшие модели снижают точность.

Стратегия кэширования на основе групп дополнительно улучшает обучение, отдавая приоритет разнообразным моделям из разных районов, а не только последним.

По мере того как ИИ переходит с централизованных серверов на устройства на границе сети, Cached-DFL предоставляет безопасный и эффективный способ для беспилотных автомобилей учиться коллективно, делая их умнее и более адаптивными.

Cached-DFL также может быть применен к другим сетевым системам интеллектуальных мобильных агентов, таким как дроны, роботы и спутники, для надежного и эффективного децентрализованного обучения с целью достижения коллективного интеллекта.

Исследователи сделали свой код общедоступным. Более подробную информацию можно найти в их техническом отчете.

В состав исследовательской группы, помимо Лю и Ван, входят Гоцзюнь Сюн и Цзянь Ли из Университета Стоуни-Брук, а также Хоувэй Цао из Нью-Йоркского технологического института.

Исследование было поддержано несколькими грантами Национального научного фонда, программой Resilient & Intelligent

Полная версия:: Self-driving cars learn to share road knowledge through digital word-of-mouth

Имитация кожи акулы для создания чистых разделочных досок.

Сохранение чистоты рабочих поверхностей во время обработки мяса является сложной задачей. Бактерии из мяса могут прикрепляться, расти и накапливаться, образуя биопленку, которую трудно удалить даже на нержавеющих стальных поверхностях, используемых на промышленных объектах. Бактерии также могут агрегировать, собираясь в невидимую массу, которая прочнее отдельных клеток, что делает их более устойчивыми к уничтожению с помощью пищевых антибактериальных средств для очистки поверхностей.

В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Journal of Laser Applications издательства AIP Publishing и Института лазерных технологий Америки, исследователи из Института Хопкирка, Центра научных исследований и безопасности пищевых продуктов Новой Зеландии и группы Applied Technologies Group в Новой Зеландии представили ключевые идеи решения, которое может полностью заменить текущую практику: вместо постоянной борьбы с накоплением бактерий они создали поверхности, которые предотвращают прикрепление бактерий с самого начала.

"Современные антимикробные методы, одобренные и используемые в коммерческих целях, имеют ограниченную способность снижать количество уже сформировавшихся бактериальных биопленок и спор, и полная дезинфекция достигается редко", — сказал автор исследования Себастьянпиллай Рэймонд.

Используя лазеры для травления и изменения поверхности металла, Рэймонд и его коллеги смогли создать микро- или наномасштабные текстуры, которые затрудняют прикрепление микробных клеток к поверхности.

Эта техника, известная как лазерное текстурирование поверхности, также изменяет водоотталкивающие свойства металла, что является ключевым фактором, влияющим на рост бактерий.

"Лазерно-текстурированные поверхности обладают антибактериальными свойствами, поскольку они физически нарушают адгезию, рост и размножение бактерий", — сказал Рэймонд.

"Эти нано- и микротекстуры поверхности имитируют природные антимикробные поверхности, такие как те, что встречаются на крыльях цикад и коже акул."

Исследователи обнаружили, что техника лазерного текстурирования высокоэффективна для точного контроля и настройки текстур на металле.

Различные бактерии могут быть нацелены с использованием специфических текстур, разработанных с учетом формы бактериальных клеток, что делает особенно трудным их прикрепление к поверхности.

Они также работают над разработкой моделей машинного обучения, которые могут помочь производителям оптимизировать и автоматизировать процесс лазерного текстурирования поверхности.

"По сравнению с некоторыми традиционными подходами, лазерное текстурирование поверхности не вводит чужеродные материалы и не требует химических травителей или сенсибилизаторов на обработанных поверхностях", — сказал Рэймонд. "Это может снизить барьеры для внедрения новых технологий в регулируемую среду и устраняет риск потенциального химического загрязнения от покрытия."

Дополнительная информация

• Как именно кожа акулы обладает антимикробными свойствами? - Кожа акулы покрыта микроскопическими зубчиками, которые создают неровную поверхность, препятствующую прилипанию бактерий.
• Какие еще природные поверхности обладают антимикробными свойствами, кроме кожи акулы и крыльев цикад? - Листья лотоса, кожа дельфинов и некоторые растения, выделяющие антимикробные вещества.
• Как машинное обучение может оптимизировать процесс лазерного текстурирования? - Машинное обучение анализирует данные для оптимизации параметров лазера, таких как мощность и скорость, повышая точность и эффективность.
• Какие химические загрязнения могут возникать при использовании традиционных методов очистки поверхностей? - Химические растворители могут оставлять токсичные остатки, загрязняющие окружающую среду.
• Какие другие отрасли, кроме пищевой промышленности, могут выиграть от использования лазерного текстурирования поверхностей? - Медицина, аэрокосмическая отрасль и производство электроники.

Полная версия:: Mimicking shark skin to create clean cutting boards

Исследователи создали самую маленькую в мире стрелялку с использованием нанотехнологий.

Исследовательская группа под руководством профессора Такаюки Хосино из Высшей школы инженерии Университета Нагоя в Японии продемонстрировала самую маленькую в мире стрелялку, управляя наночастицами в реальном времени. Игра создана с использованием частиц размером примерно в одну миллиардную метра. Это исследование является важным шагом на пути к разработке компьютерной интерфейсной системы, которая бесшовно интегрирует виртуальные объекты с реальными наноматериалами. Результаты исследования были опубликованы в Japanese Journal of Applied Physics.

Игра демонстрирует то, что исследователи называют "нано-смешанной реальностью (MR)", которая объединяет цифровые технологии с физическим наномиром в реальном времени с использованием высокоскоростных электронных пучков.

Эти пучки создают динамические паттерны электрических полей и оптических изображений на поверхности дисплея, что позволяет исследователям контролировать силовое поле, воздействующее на наночастицы, и перемещать их в реальном времени.

Целью команды было создать интуитивно понятный и увлекательный способ демонстрации своей технологии.

Будучи поклонниками классических видеоигр, они разработали интерактивную стрелялку, вдохновленную аркадными играми прошлого.

Хосино назвал её "самой маленькой стрелялкой в мире", которая позволяет игрокам взаимодействовать с объектами на наноуровне.

Наноигра

Смешанная реальность (MR) предназначена для объединения реального мира с виртуальным, позволяя цифровым объектам взаимодействовать с физической средой.

Джойстик использовался для изменения паттерна сканирования электронного пучка, который на экране отображается как движение треугольного космического корабля.

Игроки пытались поразить вражеских персонажей (на самом деле наноразмерные полистироловые шарики) с помощью электронного пучка.

"Система проецирует игровой корабль в реальное нанофизическое пространство в виде оптического изображения и силового поля, создавая MR, где наночастицы и цифровые элементы взаимодействуют", — пояснил Хосино.

"Игра представляет собой стрелялку, в которой игрок управляет кораблем и стреляет пулями по реальным наночастицам, чтобы оттолкнуть их. Таким образом, мы успешно продемонстрировали взаимодействие в реальном времени между цифровыми данными и физическими нанообъектами."

Научное значение

Помимо игр, эта технология позволяет манипулировать и собирать биомолекулярные образцы на самом маленьком уровне, что открывает возможности для применения в нанотехнологиях и биомедицинской инженерии.

"Мы могли бы печатать созданные объекты в 3D в реальном времени, что потенциально может революционизировать мир 3D-печати", — сказал Хосино. "Или использовать ту же технику наведения для доставки токсичных агентов к вирусным клеткам в живых организмах и их уничтожения."

Дополнительная информация

• Как наночастицы используются в биомедицинской инженерии? - Наночастицы применяются для доставки лекарств к конкретным клеткам, например, в лечении рака, а также для диагностики, например, в качестве контрастных агентов в МРТ.
• Какие ещё примеры смешанной реальности (MR) используются в научных исследованиях? - Смешанная реальность используется для обучения хирургов, моделирования сложных молекул и визуализации данных в реальном времени, например, в астрономии.
• Какие ограничения существуют для 3D-печати на наноуровне? - Основные ограничения включают низкую скорость печати, высокую стоимость оборудования и ограниченный выбор материалов, пригодных для наноуровневой печати.
• Какие ещё интерактивные проекты могут быть созданы с использованием нанотехнологий? - Примеры включают умную одежду, которая меняет свойства в зависимости от окружающей среды, и медицинские устройства, такие как нанороботы для диагностики и лечения заболеваний.

Полная версия:: Researchers create the world's smallest shooting video game using nanoscale technology

ИИ создает игривые, человекообразные игры.

Хотя мы обладаем замечательной способностью генерировать собственные цели, начиная с детских игр и продолжая во взрослой жизни, у нас пока нет компьютерных моделей, которые могли бы понять эту человеческую способность.

Однако группа ученых из Нью-Йоркского университета создала компьютерную модель, которая может представлять и генерировать человекообразные цели, обучаясь тому, как люди создают игры. Работа, опубликованная в журнале Nature Machine Intelligence, может привести к созданию систем искусственного интеллекта, которые лучше понимают человеческие намерения и более точно моделируют и согласуются с нашими целями. Это также может привести к созданию систем ИИ, которые помогут нам разрабатывать более человекообразные игры.

"Хотя цели являются основополагающими для человеческого поведения, мы очень мало знаем о том, как люди представляют и придумывают их — и у нас нет моделей, которые бы отражали богатство и креативность человеческих целей", — объясняет Гай Дэвидсон, ведущий автор статьи и аспирант Нью-Йоркского университета. "Наше исследование предоставляет новую основу для понимания того, как люди создают и представляют цели, что может помочь в разработке более креативных, оригинальных и эффективных систем ИИ."

Несмотря на значительные экспериментальные и вычислительные работы, посвященные целям и целенаправленному поведению, модели ИИ все еще далеки от того, чтобы охватить богатство повседневных человеческих целей. Чтобы устранить этот пробел, авторы статьи изучили, как люди создают свои собственные цели или задачи, чтобы потенциально пролить свет на то, как они генерируются.

Исследователи начали с того, что зафиксировали, как люди описывают действия по постановке целей, проведя серию онлайн-экспериментов.

Они поместили участников в виртуальную комнату, содержащую несколько объектов. Участников попросили представить и предложить широкий спектр игривых целей или игр, связанных с содержимым комнаты — например, подбрасывание мяча в корзину, предварительно бросив его о стену, или игры с построением башен из деревянных блоков. Исследователи записали описания участников этих целей, связанных с придуманными играми — всего около 100 игр. Эти описания сформировали набор данных игр, на которых обучалась модель исследователей.

Хотя генерация человеческих целей может казаться безграничной, цели, созданные участниками исследования, руководствовались конечным числом простых принципов, таких как здравый смысл (цели должны быть физически осуществимыми) и рекомбинация (новые цели создаются из общих элементов игрового процесса). Например, участники создавали правила, в которых мяч мог быть реалистично брошен в корзину или отскочить от стены (осуществимость) и комбинировали базовые элементы броска для создания различных игр (от стены, на кровать, с броском со стола, с опрокидыванием блоков или без и т.д., как примеры рекомбинации).

Затем исследователи обучили модель ИИ создавать целенаправленные игры, используя правила и цели, разработанные участниками-людьми. Чтобы определить, соответствуют ли эти цели, созданные ИИ, тем, что созданы людьми, исследователи попросили новую группу участников оценить игры по нескольким атрибутам, таким как веселье, креативность и сложность. Участники оценивали как игры, созданные людьми, так и игры, созданные ИИ, как в примере ниже:

Игра, созданная человеком:

Игровой процесс: бросьте мяч так, чтобы он коснулся стены, а затем либо поймайте его, либо коснитесь его.

Подсчет очков: вы получаете 1 очко за каждый успешный бросок мяча, когда он касается стены, и вы либо держите его снова, либо касаетесь его после полета.

Игра, созданная ИИ:

Игровой процесс: бросайте мячи для доджбола так, чтобы они приземлялись и оставались на верхней полке; игра заканчивается через 30 секунд.

Подсчет очков: вы получаете 1 очко за каждый мяч для доджбола, который остается на верхней полке в конце игры.

В целом, участники-люди дали схожие оценки играм, созданным людьми, и играм, созданным моделью ИИ. Эти результаты указывают на то, что модель успешно уловила способы, которыми люди разрабатывают новые цели, и сгенерировала свои собственные игривые цели, которые были неотличимы от созданных людьми.

Это исследование помогает углубить наше понимание того, как мы формируем цели и как эти цели могут быть представлены компьютерам. Оно также может помочь нам создавать системы, которые помогут в разработке игр и других игривых активностей.

Среди других авторов статьи — Грэм Тодд, аспирант Нью-Йоркского университета, Джулиан Тогелиус, доцент инженерной школы Тандон при Нью-Йоркском университете, Тодд М. Гурецкис, профессор кафедры психологии Нью-Йоркского университета, и Бренден М. Лейк, доцент Центра науки о данных и кафедры психологии Нью-Йоркского университета.

Исследование было поддержано грантами Национального научного фонда (1922658, BCS 2121102).

Дополнительная информация

• Какие еще принципы, помимо здравого смысла и рекомбинации, могут быть использованы для создания человекообразных целей в ИИ? - Принципы, такие как обучение с подкреплением, имитация поведения человека и использование когнитивных моделей, могут помочь в создании более человекообразных целей в ИИ.

• Как модель ИИ обучалась на данных, собранных от людей, и какие алгоритмы использовались? - Модель ИИ обучалась на данных, собранных через наблюдение за поведением людей, с использованием алгоритмов машинного обучения, таких как глубокие нейронные сети и обучение с подкреплением.

• Какие еще критерии, помимо веселья, креативности и сложности, могут быть использованы для оценки игр? - Критерии, такие как образовательная ценность, социальное взаимодействие, эмоциональное воздействие и адаптивность к разным уровням навыков, также могут быть важны.

• Какие приложения, помимо разработки игр, могут быть у этой модели ИИ? - Модель ИИ может быть использована в образовании для создания персонализированных учебных программ, в терапии для разработки интерактивных терапевтических инструментов, а также в бизнесе для анализа поведения потребителей.

• Какие ограничения имеет текущая модель ИИ в создании человекообразных целей? - Текущая модель может испытывать трудности с пониманием сложных эмоций, культурных различий и ситуаций, требующих глубокого контекстуального понимания.

• Как гранты Национального научного фонда повлияли на ход исследования? - Гранты позволили исследователям привлечь больше ресурсов, расширить команду и провести более масштабные эксперименты, что ускорило прогресс в исследовании.

• Какие другие исследования в области ИИ и человеческих целей проводились ранее? - Предыдущие исследования включали изучение когнитивных архитектур, разработку систем, имитирующих человеческое мышление, и создание ИИ для решения социальных задач.

• Как результаты этого исследования могут быть применены в образовательных или терапевтических целях? - Результаты могут быть использованы для создания интерактивных образовательных платформ, которые адаптируются к индивидуальным потребностям учащихся, или для разработки терапевтических игр, помогающих в лечении психических расстройств.

Полная версия:: AI generates playful, human-like games

Почему Марс красный? Ученые, возможно, наконец нашли ответ.

Марс на протяжении веков привлекал внимание как ученых, так и общественности. Одной из главных причин является красноватый оттенок планеты, благодаря которому четвертая планета от Солнца получила свое самое популярное прозвище — "Красная планета". Но что именно придает Марсу его знаменитый цвет? Ученые задавались этим вопросом с тех пор, как начали изучать планету. Сегодня у них, возможно, наконец есть конкретный ответ, который связан с водным прошлым Марса.

Результаты нового исследования, опубликованного в журнале Nature Communications и проведенного учеными из Университета Брауна и Бернского университета, предполагают, что богатый водой железосодержащий минерал ферригидрит может быть главной причиной красноватой пыли на Марсе.

Их теория, основанная на анализе данных с марсианских орбитальных аппаратов, роверов и лабораторных симуляций, противоречит преобладающей гипотезе о том, что сухой минерал, похожий на ржавчину, гематит, является причиной цвета планеты.

"Фундаментальный вопрос о том, почему Марс красный, задавался на протяжении сотен, если не тысяч лет", — сказал Адомас (Адам) Валантинас, постдокторант Университета Брауна, который начал эту работу в качестве аспиранта Бернского университета.

"Согласно нашему анализу, мы считаем, что ферригидрит присутствует повсюду в пыли, а также, вероятно, в горных породах. Мы не первые, кто рассматривает ферригидрит как причину красного цвета Марса, но до сих пор это не было доказано так, как мы доказали это сейчас, используя данные наблюдений и новые лабораторные методы, чтобы по сути создать марсианскую пыль в лаборатории".

Ферригидрит — это оксид железа, который образуется в водной среде. На Земле он обычно связан с процессами, такими как выветривание вулканических пород и пепла. До сих пор его роль в составе поверхности Марса не была хорошо изучена, но новое исследование предполагает, что он может быть важной частью пыли, покрывающей поверхность планеты.

Это открытие дает интригующую подсказку о более влажном и потенциально более пригодном для жизни прошлом Марса, поскольку, в отличие от гематита, который обычно образуется в более теплых и сухих условиях, ферригидрит формируется в присутствии прохладной воды. Это говорит о том, что на Марсе могла быть среда, способная поддерживать жидкую воду — ключевой ингредиент для жизни — и что он перешел из влажной среды в сухую миллиарды лет назад.

"Мы хотим понять древний климат Марса, химические процессы на Марсе — не только древние, но и современные", — сказал Валантинас, работающий в лаборатории планетолога Университета Брауна Джека Мастарда, одного из старших авторов исследования.

"Затем возникает вопрос о пригодности для жизни: существовала ли когда-либо жизнь? Чтобы понять это, нужно понять условия, которые существовали во время формирования этого минерала. Из этого исследования мы знаем, что доказательства указывают на образование ферригидрита, и для этого должны были быть условия, при которых кислород, из воздуха или других источников, и вода могли реагировать с железом. Эти условия сильно отличались от сегодняшней сухой и холодной среды. Поскольку марсианские ветры разносят эту пыль повсюду, это создало знаменитый красный вид планеты".

Исследователи проанализировали данные с нескольких миссий на Марс, объединив орбитальные наблюдения с аппаратов NASA Mars Reconnaissance Orbiter и Mars Express и Trace Gas Orbiter Европейского космического агентства с наземными измерениями роверов, таких как Curiosity, Pathfinder и Opportunity. Инструменты на орбитальных аппаратах и роверах предоставили подробные спектральные данные о пыльной поверхности планеты.

Эти данные затем сравнили с лабораторными экспериментами, где команда тестировала, как свет взаимодействует с частицами ферригидрита и других минералов в условиях, имитирующих марсианские.

"Марсианская пыль очень мелкая, поэтому для проведения реалистичных и точных измерений мы смоделировали размеры частиц наших смесей, чтобы они соответствовали размерам на Марсе", — сказал Валантинас.

"Мы использовали передовую мельницу, которая уменьшила размеры нашего ферригидрита и базальта до субмикронных размеров. Конечный размер составил 1/100 толщины человеческого волоса, и спектры отраженного света этих смесей хорошо соответствуют наблюдениям с орбиты и красной поверхности Марса".

Несмотря на то, что эти новые открытия очень вдохновляют, исследователи хорошо осознают, что ничто из этого не может быть подтверждено, пока образцы с Марса не будут доставлены на Землю, оставляя тайну прошлого Красной планеты пока недосягаемой.

"Это исследование открывает новые возможности", — сказал Мастард. "Оно дает нам больше шансов применить принципы формирования минералов и условий, чтобы заглянуть в прошлое. Но еще более важным является возвращение образцов с Марса, которые сейчас собирает ровер Perseverance. Когда мы получим их обратно, мы сможем проверить, верна ли эта гипотеза".

Дополнительная информация

• Как ферригидрит образуется в водной среде? - Ферригидрит образуется при окислении железа в водной среде, особенно в присутствии кислорода, что приводит к формированию аморфного минерала.
• Какие еще минералы, кроме ферригидрита, могут влиять на цвет Марса? - Гематит и маггемит также влияют на красноватый оттенок Марса.
• Как марсианские ветры влияют на распространение пыли? - Марсианские ветры переносят пыль на большие расстояния, что может вызывать пылевые бури и влиять на климат.
• Какие условия необходимы для образования гематита? - Гематит образуется при высоких температурах и давлении, часто в присутствии воды.
• Как лабораторные симуляции помогают в изучении Марса? - Лабораторные симуляции позволяют воссоздать марсианские условия для изучения минералов и процессов.
• Какие инструменты на марсианских роверах используются для анализа пыли? - Роверы используют спектрометры, микроскопы и другие инструменты для анализа состава пыли.
• Как кислород мог присутствовать на древнем Марсе? - Кислород мог присутствовать благодаря фотохимическим процессам или вулканической активности.
• Какие еще доказательства указывают на водное прошлое Марса? - Русла рек, минералы, образованные в воде, и ледяные шапки указывают на водное прошлое Марса.
• Какие сложности связаны с возвращением образцов с Марса? - Основные сложности включают технические ограничения, высокую стоимость и необходимость предотвращения загрязнения Земли.

Полная версия:: Why is Mars red? Scientists may finally have the answer

Энергия будущего — ультратонкие пленки революционизируют электропроводность.

Что, если бы ваши электронные устройства могли адаптироваться на лету к температуре, давлению или ударам? Благодаря новому прорыву в миниатюризации квантовых материалов эта идея становится реальностью.

В статье, опубликованной в этом месяце в журнале Applied Physics Express, исследовательская группа из нескольких институтов под руководством Университета Осаки объявила, что им удалось успешно синтезировать ультратонкую пленку диоксида ванадия на гибкой подложке, сохранив при этом ее электрические свойства.

Диоксид ванадия хорошо известен в научном сообществе своей способностью переходить между проводящей и изолирующей фазами при почти комнатной температуре.

Этот фазовый переход лежит в основе умной и адаптивной электроники, которая может подстраиваться под окружающую среду в реальном времени.

Однако существует предел того, насколько тонкими могут быть пленки диоксида ванадия, поскольку слишком маленький размер материала влияет на его способность проводить или изолировать электричество.

"Обычно, когда пленка помещается на твердую подложку, сильные поверхностные силы нарушают атомную структуру пленки и ухудшают ее проводящие свойства", — объясняет Боюань Юй, ведущий автор исследования.

Чтобы преодолеть это ограничение, команда создала свои пленки на двумерных кристаллах гексагонального нитрида бора (hBN). hBN — это высокостабильный мягкий материал, который не образует прочных связей с оксидами и, следовательно, не вызывает чрезмерного напряжения пленки и не разрушает ее тонкую структуру.

"Результаты действительно удивительные", — говорит Хидэкадзу Танака, старший автор исследования. "Мы обнаружили, что при использовании этой мягкой подложки структура материала практически не изменяется".

Проведя точные спектроскопические измерения, команда смогла подтвердить, что температура фазового перехода слоев диоксида ванадия осталась практически неизменной даже при толщине всего 12 нм.

"Это открытие значительно улучшает нашу способность манипулировать квантовыми материалами на практике", — говорит Юй. "Мы получили новый уровень контроля над процессом перехода, что означает, что теперь мы можем адаптировать эти материалы для конкретных применений, таких как датчики и гибкая электроника".

Учитывая, что квантовые материалы, такие как диоксид ванадия, играют ключевую роль в разработке микросенсоров и устройств, это открытие может проложить путь к созданию функциональной и адаптивной электроники, которую можно будет прикреплять где угодно. Исследовательская группа в настоящее время работает над такими устройствами, а также изучает способы использования еще более тонких пленок и подложек.

Дополнительная информация

• Какие еще материалы, кроме диоксида ванадия, демонстрируют фазовые переходы при комнатной температуре? - Никелид титана (сплав с памятью формы) и некоторые органические материалы, такие как жидкие кристаллы, также демонстрируют фазовые переходы при комнатной температуре.
• Какие преимущества у гексагонального нитрида бора (hBN) по сравнению с другими подложками? - hBN обладает высокой термической стабильностью, низкой шероховатостью поверхности и является отличным изолятором, что делает его идеальной подложкой для 2D-материалов, таких как графен.
• Какие конкретные применения адаптивной электроники уже разрабатываются на основе диоксида ванадия? - Диоксид ванадия используется в умных окнах, которые автоматически регулируют прозрачность в зависимости от температуры, а также в переключателях и сенсорах.
• Какие еще квантовые материалы, кроме диоксида ванадия, используются в разработке микросенсоров? - Графен, топологические изоляторы и сверхпроводники также активно исследуются для создания микросенсоров.
• Какие методы используются для точного измерения температуры фазового перехода в ультратонких пленках? - Для измерения температуры фазового перехода используются методы спектроскопии комбинационного рассеяния и рентгеновской дифракции.

Полная версия:: Powering the future -- ultrathin films are revolutionizing electrical conductivity

Терабайты данных в миллиметровом кристалле.

От ткацких станков с перфокартами в 1800-х годах до современных смартфонов — если объект имеет состояния "включено" и "выключено", его можно использовать для хранения информации.

В ноутбуке двоичные единицы и нули представляют собой транзисторы, работающие при низком или высоком напряжении. На компакт-диске единица — это место, где крошечная впадина ("пит") переходит в плоскую поверхность ("ленд") или наоборот, а ноль — когда изменения нет.

Исторически размер объекта, создающего "единицы" и "нули", ограничивал размер устройства хранения. Но теперь исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета (UChicago PME) изучили метод создания единиц и нулей с использованием дефектов кристаллов, каждый из которых имеет размер отдельного атома, для применения в классической компьютерной памяти.

Их исследование было опубликовано сегодня в журнале Nanophotonics.

"Каждая ячейка памяти — это один отсутствующий атом, один дефект", — сказал доцент UChicago PME Тянь Чжун. "Теперь можно упаковать терабайты данных в небольшой кубик материала размером всего в миллиметр".

Этот прорыв является ярким примером междисциплинарных исследований UChicago PME, где квантовые методы используются для революции в классических, не квантовых компьютерах, а исследования дозиметров радиации — устройств, которые измеряют, сколько радиации поглощают работники больниц от рентгеновских аппаратов, — превращаются в передовые технологии хранения данных.

"Мы нашли способ объединить физику твердого тела, применяемую в радиационной дозиметрии, с исследованиями в области квантовых систем, хотя наша работа не является строго квантовой", — сказал первый автор исследования Леонардо Франса, постдокторант лаборатории Чжуна. "Существует спрос на исследования в области квантовых систем, но в то же время есть потребность в улучшении емкости хранения классической энергонезависимой памяти. Именно на стыке квантовых и оптических технологий хранения данных основана наша работа".

От радиационной дозиметрии к оптическому хранению данных

Исследование началось во время работы Франсы над докторской диссертацией в Университете Сан-Паулу в Бразилии. Он изучал дозиметры радиации — устройства, которые пассивно отслеживают, сколько радиации получают работники больниц, синхротронов и других объектов, связанных с радиацией.

"В больницах и на ускорителях частиц, например, необходимо отслеживать, сколько радиации получают люди", — сказал Франса. "Существуют материалы, которые способны поглощать радиацию и хранить эту информацию в течение определенного времени".

Вскоре он заинтересовался тем, как с помощью оптических методов — направляя свет — можно манипулировать и "считывать" эту информацию.

"Когда кристалл поглощает достаточное количество энергии, он высвобождает электроны и дырки. Эти заряды захватываются дефектами", — объяснил Франса. "Мы можем считать эту информацию. Вы можете высвободить электроны, и мы можем считать информацию с помощью оптических методов".

Франса быстро увидел потенциал для хранения данных. Он привнес эту не квантовую работу в квантовую лабораторию Чжуна, чтобы создать междисциплинарную инновацию, использующую квантовые методы для создания классической памяти.

"Мы создаем новый тип микроэлектронного устройства, технологию, вдохновленную квантовыми принципами", — сказал Чжун.

Редкоземельные элементы

Для создания новой технологии хранения данных команда добавила ионы "редкоземельных элементов" — группы элементов, также известных как лантаноиды, — в кристалл.

В частности, они использовали редкоземельный элемент празеодим и кристалл оксида иттрия, но описанный ими процесс может быть применен к различным материалам, используя мощные и гибкие оптические свойства редкоземельных элементов.

"Хорошо известно, что редкоземельные элементы имеют специфические электронные переходы, которые позволяют выбирать определенные длины волн лазерного излучения для оптического управления, от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона", — сказал Франса.

В отличие от дозиметров, которые обычно активируются рентгеновскими или гамма-лучами, здесь устройство хранения активируется простым ультрафиолетовым лазером. Лазер стимулирует лантаноиды, которые, в свою очередь, высвобождают электроны. Электроны захватываются некоторыми дефектами кристалла оксида, например, отдельными пустотами в структуре, где должен быть атом кислорода, но его нет.

"Невозможно найти кристаллы — природные или искусственные, — которые не имеют дефектов", — сказал Франса. "Поэтому мы используем эти дефекты в своих целях".

Хотя эти дефекты кристаллов часто используются в квантовых исследованиях, например, для создания "кубитов" в драгоценных камнях, от алмазов до шпинели, команда UChicago PME нашла им другое применение. Они смогли управлять тем, какие дефекты заряжены, а какие нет. Обозначив заряженный дефект как "единицу", а незаряженный — как "ноль", они превратили кристалл в мощное устройство хранения данных, масштабы которого ранее не были достигнуты в классических вычислениях.

"В этом миллиметровом кубике мы продемонстрировали, что существует как минимум миллиард таких ячеек памяти — классической, традиционной памяти, основанной на атомах", — сказал Чжун.

Финансирование: Эта работа была поддержана Министерством энергетики США, Управлением науки, для поддержки исследований в области микроэлектроники

Дополнительная информация

• Какие редкоземельные элементы, кроме празеодима, могут быть использованы в подобных технологиях хранения данных? - Неодим, европий и тербий также могут использоваться благодаря их уникальным магнитным и оптическим свойствам.
• Как именно ультрафиолетовый лазер стимулирует лантаноиды для высвобождения электронов? - Ультрафиолетовый лазер возбуждает электроны лантаноидов до более высоких энергетических уровней, что приводит к их высвобождению.
• Какие другие материалы, кроме оксида иттрия, могут быть использованы для создания подобных кристаллов? - Оксид алюминия, оксид циркония и другие керамические материалы также подходят для создания кристаллов.
• Как дефекты кристаллов используются в квантовых исследованиях, таких как создание кубитов? - Дефекты, такие как NV-центры в алмазе, используются для создания кубитов, которые являются основой квантовых вычислений.
• Какие преимущества имеет оптическое хранение данных по сравнению с традиционными методами? - Оптическое хранение данных предлагает более высокую плотность записи, долговечность и устойчивость к электромагнитным помехам.
• Какие ограничения существуют у технологии хранения данных на основе дефектов кристаллов? - Основные ограничения включают сложность производства и относительно высокую стоимость.
• Как Министерство энергетики США поддерживает исследования в области микроэлектроники? - Министерство энергетики США финансирует исследования через программы, такие как ARPA-E.
• Какие другие междисциплинарные исследования проводятся в Притцкеровской школе молекулярной инженерии? - В школе проводятся исследования в области новых материалов, квантовых технологий и биомедицинской инженерии.
• Как долго информация может храниться в кристаллах с использованием этой технологии? - Информация может храниться в течение десятилетий или даже столетий.
• Какие отрасли, кроме микроэлектроники, могут выиграть от этой технологии хранения данных? - Аэрокосмическая промышленность, медицина и энергетика могут выиграть от этой технологии.

Полная версия:: Terabytes of data in a millimeter crystal

Робот-трансформер превращает сложный рельеф в преимущество.

От горных козлов, которые бегают по почти вертикальным скалам, до броненосцев, сворачивающихся в защитный шар, животные эволюционировали, чтобы легко адаптироваться к изменениям в окружающей среде. В отличие от них, когда автономный робот запрограммирован на достижение цели, каждое изменение на его заранее заданном пути представляет собой значительную физическую и вычислительную проблему.

Исследователи под руководством Джози Хьюз из лаборатории CREATE в Школе инженерии EPFL хотели разработать робота, который мог бы перемещаться по разнообразным ландшафтам так же ловко, как животные, меняя форму на ходу. С помощью GOAT (Good Over All Terrains — "Хорош на всех типах местности") они достигли этой цели — и в процессе создали новую парадигму для передвижения и управления роботами.

Благодаря гибкой, но прочной конструкции GOAT может спонтанно трансформироваться между плоской формой "ровера" и шаром во время движения. Это позволяет ему переключаться между ездой, качением и даже плаванием, потребляя при этом меньше энергии, чем робот с конечностями или придатками.

"В то время как большинство роботов вычисляют кратчайший путь от точки А до точки Б, GOAT учитывает как способ передвижения, так и маршрут", — объясняет Хьюз. "Например, вместо того чтобы обходить препятствие, такое как ручей, GOAT может проплыть прямо через него. Если его путь холмистый, он может пассивно катиться вниз в форме шара, чтобы сэкономить время и энергию, а затем активно двигаться как ровер, когда качение больше не выгодно".

Исследование было опубликовано в журнале Science Robotics.

Гибкость — ключ к успеху

Для разработки своего робота команда CREATE черпала вдохновение из всего животного мира, включая пауков, кенгуру, тараканов и осьминогов. Их биоинспирированный подход привел к созданию конструкции, которая обладает высокой гибкостью, то есть адаптируется в ответ на взаимодействие с окружающей средой, а не остается жесткой. Эта гибкость позволяет GOAT активно изменять свою форму, чтобы менять свои пассивные свойства: от более гибких в конфигурации "ровера" до более прочных в форме шара.

Созданный из недорогих материалов, простой каркас робота состоит из двух пересекающихся эластичных стеклопластиковых стержней с четырьмя моторными безободными колесами. Два троса, управляемые лебедками, изменяют конфигурацию каркаса, в конечном итоге укорачиваясь, как сухожилия, чтобы плотно свернуть его в шар. Аккумулятор, бортовой компьютер и датчики содержатся в полезной нагрузке весом до 2 кг, которая подвешена в центре каркаса, где она хорошо защищена в режиме шара — подобно тому, как еж защищает свое брюшко.

Путь наименьшего сопротивления

Аспирант лаборатории CREATE Макс Польцин объясняет, что гибкость также позволяет GOAT перемещаться с минимальным количеством сенсорного оборудования. Имея только систему спутниковой навигации и устройство для измерения собственной ориентации (инерциальный измерительный блок), GOAT не оснащен камерами: ему просто не нужно точно знать, что лежит на его пути.

"Большинство роботов, которые перемещаются по экстремальному рельефу, имеют множество датчиков для определения состояния каждого двигателя, но благодаря своей способности использовать собственную гибкость, GOAT не нуждается в сложных сенсорах. Он может использовать окружающую среду, даже с очень ограниченными знаниями о ней, чтобы найти лучший путь: путь наименьшего сопротивления", — говорит Польцин.

Будущие направления исследований включают улучшение алгоритмов для более эффективного использования уникальных возможностей трансформирующихся гибких роботов, а также масштабирование конструкции GOAT вверх и вниз для размещения различных полезных нагрузок. В перспективе исследователи видят множество потенциальных применений для своего устройства: от мониторинга окружающей среды до ликвидации последствий стихийных бедствий и даже исследования других планет.

"Роботы, подобные GOAT, могут быть быстро развернуты на неизведанной местности с минимальными системами восприятия и планирования, что позволяет им превращать экологические вызовы в вычислительные преимущества", — говорит Хьюз. "Используя комбинацию активной переконфигурации и пассивной адаптации, следующее поколение гибких роботов может даже превзойти универсальность природы".

Дополнительная информация

• Какие конкретные животные вдохновили разработку GOAT, и как их особенности были интегрированы в конструкцию робота? - GOAT вдохновлен козами и другими горными животными, которые способны передвигаться по сложной местности. Их устойчивость и адаптивность были интегрированы в конструкцию робота через гибкие конечности и систему балансировки.
• Какие недорогие материалы использовались для создания GOAT, и почему они были выбраны? - Для создания GOAT использовались легкие и прочные материалы, такие как алюминий и композиты, которые дешевы в производстве и обеспечивают необходимую прочность для работы в сложных условиях.
• Как гибкость конструкции GOAT позволяет ему адаптироваться к различным типам местности? - Гибкость конструкции GOAT достигается за счет подвижных суставов и адаптивной системы управления, что позволяет ему преодолевать неровные поверхности, камни и другие препятствия.
• Какие преимущества дает использование минимального количества сенсорного оборудования в GOAT? - Минимальное количество сенсоров снижает стоимость и упрощает обслуживание, при этом робот сохраняет способность эффективно выполнять задачи благодаря интеллектуальным алгоритмам обработки данных.
• Какие конкретные задачи мониторинга окружающей среды может выполнять GOAT? - GOAT может использоваться для сбора данных о состоянии почвы, растительности, а также для наблюдения за дикой природой в труднодоступных местах.
• Какие алгоритмы планируется улучшить для более эффективного использования возможностей GOAT? - Планируется улучшить алгоритмы машинного обучения для более точного анализа данных и алгоритмы навигации для повышения автономности робота.
• Как GOAT может быть масштабирован для различных полезных нагрузок? - Конструкция GOAT позволяет легко добавлять или изменять полезные нагрузки, такие как камеры, датчики или инструменты, в зависимости от задач.
• Какие вычислительные преимущества GOAT может получить от экологических вызовов? - GOAT может использовать данные, собранные в сложных условиях, для улучшения алгоритмов и повышения эффективности работы в реальных экологических сценариях.

Полная версия:: Morphing robot turns challenging terrain to its advantage

Как родительство может помочь сохранить молодость мозга.

Родители могут получать неожиданную пользу от воспитания детей: защиту от некоторых эффектов старения, согласно новому исследованию, в котором приняли участие почти 37 000 взрослых.

Исследование, проведенное специалистами Rutgers Health и Йельского университета и опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, показало, что у родителей наблюдаются паттерны связности мозга, которые прямо противоположны типичным возрастным изменениям, причем эффект усиливается с каждым новым ребенком.

Результаты были одинаковыми как для матерей, так и для отцов, что указывает на то, что преимущества связаны с опытом родительства, а не с биологическими изменениями, вызванными беременностью.

"Регионы мозга, которые теряют функциональную связность с возрастом, демонстрируют повышенную связность у тех, кто имеет детей", — сказал старший автор исследования Аврам Холмс, доцент кафедры психиатрии Медицинской школы Роберта Вуда Джонсона и ключевой сотрудник Института здоровья мозга Rutgers и Центра исследований передовой визуализации человеческого мозга.

Исследование анализировало данные сканирования мозга и информацию о семьях из UK Biobank — крупномасштабной биомедицинской базы данных и исследовательского ресурса. Анализ показал, как различные области мозга взаимодействуют друг с другом. Команда сосредоточилась на областях, связанных с движением, ощущениями и социальными связями.

Они обнаружили, что у родителей с большим количеством детей наблюдалась более сильная связность в ключевых нейронных сетях, особенно тех, которые отвечают за движение и ощущения. Эти же сети обычно демонстрируют снижение связности с возрастом.

"Мы наблюдаем широкий спектр функциональных изменений, где большее количество детей связано с усилением функциональной связности в соматосенсорных и моторных сетях", — пояснил Холмс.

Эффект, по-видимому, накапливается: чем больше детей у родителей, тем сильнее проявляются различия в мозге.

Результаты исследования ставят под сомнение предположения о том, что наличие детей в основном создает стресс и напряжение. Вместо этого исследование предполагает, что родительство может обеспечить форму обогащения окружающей среды, которая может улучшить здоровье мозга за счет увеличения физической активности, социального взаимодействия и когнитивной стимуляции.

"Среда ухода, а не только беременность, кажется важной, поскольку мы видим эти эффекты как у матерей, так и у отцов", — отметил Холмс.

Родители в исследовании также демонстрировали более высокий уровень социальной связи, чаще посещали семью и имели более широкие социальные сети.

Однако исследователи предупреждают, что необходима дополнительная работа, чтобы понять, как именно родительство вызывает эти изменения в мозге. Участники исследования в основном были из Великобритании, поэтому результаты могут не распространяться на все культуры и семейные структуры.

Исследование может иметь значение за пределами традиционных отношений между родителями и детьми.

"Если мы фиксируем связь между усиленными социальными взаимодействиями и поддержкой, которые возникают благодаря наличию большего количества детей в жизни, то это означает, что мы можем использовать те же процессы, даже если у людей в настоящее время нет социальной поддержки", — заключил Холмс.

Дополнительная информация

• Как именно родительство влияет на функциональную связность мозга? - Родительство усиливает функциональную связность между областями мозга, ответственными за эмоции, внимание и социальное взаимодействие, что помогает лучше справляться с задачами воспитания.
• Какие еще факторы, кроме родительства, могут улучшить связность мозга? - Физическая активность, обучение новым навыкам, медитация и социальные взаимодействия также могут улучшать функциональную связность мозга.
• Как культурные различия могут повлиять на результаты исследования? - Культурные нормы и практики воспитания могут изменять степень и характер влияния родительства на мозг, что делает результаты исследований специфичными для определенных культур.
• Какие методы использовались для анализа данных из UK Biobank? - Для анализа данных использовались методы магнитно-резонансной томографии (МРТ) и статистические подходы для изучения функциональной связности мозга.
• Как результаты исследования могут быть применены к людям без детей? - Улучшение функциональной связности мозга, наблюдаемое у родителей, может быть достигнуто через другие виды социальных взаимодействий, такие как волонтерство или забота о близких.
• Какие долгосрочные эффекты родительства на мозг были обнаружены? - Долгосрочные эффекты включают устойчивые изменения в областях мозга, связанных с эмпатией, стрессоустойчивостью и когнитивными функциями, которые могут сохраняться на протяжении многих лет.

Полная версия:: How parenthood may help keep your brain young

Часть топлива задерживается во внутренних стенках термоядерных реакторов: у исследователей теперь есть лучшее представление о том, сколько именно.

Для разработки практической системы термоядерного синтеза ученым необходимо полностью понять, как плазменное топливо взаимодействует с окружающей средой. Плазма перегрета, что означает, что некоторые из атомов могут ударяться о стенку термоядерного реактора и внедряться в нее. Чтобы система работала эффективно, важно знать, сколько топлива может быть захвачено.

"Чем меньше топлива задерживается в стенке, тем меньше накапливается радиоактивного материала", — сказал Шота Абе, научный сотрудник Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE).

Абе является ведущим исследователем нового исследования, опубликованного в журнале Nuclear Materials and Energy. Исследование посвящено тому, сколько дейтерия — одного из лучших видов топлива для термоядерного синтеза — может застрять в покрытых бором графитовых стенках реактора в форме тора, известного как токамак.

Бор используется в некоторых экспериментальных термоядерных системах для уменьшения примесей в плазме.

Однако исследователи до конца не понимают, как борное покрытие может повлиять на количество термоядерного топлива, которое покидает плазму и внедряется в стенки реактора.

"Понимание того, как борные покрытия могут взаимодействовать с дейтерием, поможет нам улучшить материалы для будущих термоядерных электростанций, таких как ITER", — сказал Абе.

ITER — это международный объект, строящийся во Франции, который будет изучать плазму, способную нагревать себя и поддерживать собственные термоядерные реакции.

Помимо исследователей из PPPL, в новом исследовании по удержанию топлива приняли участие многочисленные эксперты из учреждений по всей стране, включая Принстонский университет, Калифорнийский университет в Сан-Диего, General Atomics, Университет Теннесси и Национальные лаборатории Сандия.

Их передовая работа имеет критически важное значение для того, чтобы сделать термоядерный синтез жизнеспособным источником электроэнергии в коммерческих масштабах.

Дейтерий также заменяет тритий в экспериментах

В коммерческой термоядерной системе топливо, вероятно, будет состоять из дейтерия и трития, которые являются формами водорода.

Тритий радиоактивен, а дейтерий — нет. Поэтому в экспериментах использовался дейтерий в качестве замены трития, так как они во многом схожи.

Однако тритий — это элемент, который необходимо тщательно контролировать в коммерческих термоядерных системах.

"Существуют очень строгие ограничения на количество трития, которое может находиться в устройстве в любой момент времени. Если вы превысите этот предел, все остановится, и лицензия будет отозвана", — сказал Алессандро Бортолон, ведущий научный сотрудник PPPL, который также участвовал в работе.

"Таким образом, если вы хотите иметь работающий реактор, вам нужно убедиться, что учет трития точен. Если вы превысите лимит, это станет непреодолимым препятствием".

Интересно, что исследователи говорят, что основной причиной захвата топлива является не борное покрытие.

Это углерод. Даже небольшие количества углерода увеличили количество захваченного дейтерия в образцах во время эксперимента.

Эти образцы борной пленки были созданы с использованием плазмы, состоящей из газа, содержащего бор и дейтерий (а также некоторые примеси), в токамаке DIII-D в General Atomics.

Углерод и бор вместе могут так прочно связываться с дейтерием, что для разрыва связи потребуется температура около 1000°F (538°C), что делает удаление топлива без повреждения термоядерной системы очень сложной задачей.

"Углерод действительно является проблемой", — сказал Флориан Эффенберг, научный сотрудник PPPL и соавтор статьи.

"Углерод необходимо минимизировать. Хотя мы не можем свести его к нулю, мы используем все доступные средства, чтобы уменьшить количество углерода настолько, насколько это возможно".

Фактически, воздействие плазмы с небольшим количеством углеродных примесей значительно увеличило количество дейтерия.

Исследователи обнаружили, что на каждые пять единиц бора, захваченных в образце, приходилось две единицы дейтерия.

Графитовые плитки будут заменены

В экспериментах использовалась термоядерная система DIII-D, стенки которой в настоящее время сделаны из графита, формы углерода.

"Мы хотим избавиться от всего углерода и иметь чистые вольфрамовые стенки", — сказал Эффенберг, чтобы расчеты были еще ближе к тому, что будет происходить в ITER.

Одним из преимуществ исследования является то, что некоторые образцы подвергались воздействию плазмы в термоядерном реакторе DIII-D.

Эта установка является одним из нескольких экспериментальных токамаков, которые используют магнитные поля для удержания плазмы в форме тора.

Учитывая, что исследование предполагает, что даже следовые количества углерода могут значительно увеличить количество трития, застрявшего в стенках токамака, результаты могут иметь важные последствия для соблюдения нормативных ограничений в будущих термоядерных электростанциях.

Другие исследователи, участвовавшие в проекте, включают Майкла Симмондса, Игоря Быкова, Жунь Жэня, Дмитрия Л. Рудакова, Райана Худа, Алана Хайатта, Цзихань Линя и Тайлера Абрамса. Это исследование было поддержано Управлением термоядерных энергетических наук Министерства энергетики США по грантам DE-FC02-04ER54698, DE-AC02-09CH11466, DE-SC0022528, DE-SC0022528 и DE-SC0023378.

Дополнительная информация

• Почему углерод так сильно влияет на захват дейтерия в стенках реактора? - Углерод активно взаимодействует с дейтерием, образуя соединения, которые накапливаются в стенках реактора, что снижает эффективность термоядерного синтеза.
• Какие альтернативные материалы, кроме вольфрама, рассматриваются для стенок термоядерных реакторов? - Бериллий и литий также рассматриваются как альтернативные материалы из-за их способности минимизировать накопление примесей.
• Как именно борное покрытие уменьшает примеси в плазме? - Борное покрытие связывает примеси на поверхности, предотвращая их попадание в плазму и поддерживая её чистоту.
• Какие еще экспериментальные установки, кроме DIII-D и ITER, используются для изучения термоядерного синтеза? - Установки JET (Великобритания) и EAST (Китай) активно используются для исследований термоядерного синтеза.
• Почему тритий требует строгого контроля в коммерческих термоядерных системах? - Тритий радиоактивен и может представлять опасность для окружающей среды и здоровья, поэтому его использование требует строгого контроля.
• Какие методы используются для минимизации углерода в термоядерных реакторах? - Используются материалы с низким содержанием углерода и специальные покрытия, такие как борное, для уменьшения его влияния.
• Какие температуры необходимы для высвобождения захваченного топлива из стенок реактора? - Для высвобождения захваченного топлива требуются температуры выше 1000°C.
• Какие страны участвуют в проекте ITER и как они сотрудничают? - В проекте ITER участвуют 35 стран, включая ЕС, США, Китай, Индию, Японию, Южную Корею и Россию, которые совместно финансируют и разрабатывают проект.
• Какие примеси, кроме углерода, могут влиять на захват топлива в стенках реактора? - Кислород и азот также могут влиять на захват топлива, образуя соединения, которые накапливаются в стенках реактора.
• Какие научные открытия в области термоядерного синтеза были сделаны за последние 10 лет? - За последние 10 лет были достигнуты значительные успехи, такие как улучшение удержания плазмы, достижение более высоких температур и разработка новых материалов для стенок реакторов.

Полная версия:: Some fuel lodges in the inner walls of fusion vessels: Researchers now have a better idea of how much

Высокооднородные нанокристаллы, синтезированные методом жидкокристаллического антираствора.

Научная группа под руководством профессоров Ёнг-Ки Кима и Ён-Ён Ноха из POSTECH разработала революционный метод синтеза перовскитных нанокристаллов (PNCs), следующего поколения полупроводниковых материалов, более однородным и эффективным образом. Это исследование ожидается как ключевой прорыв в преодолении сложностей традиционных методов синтеза и ускорении коммерциализации различных оптоэлектронных устройств, таких как светодиоды (LED) и солнечные элементы, которые используют нанокристаллы.

Это исследование было проведено профессором Ёнг-Ки Кимом и профессором Ён-Ён Нохом из кафедры химической инженерии POSTECH, а также кандидатом наук Чун-Хён Имом, доктором Мёнгюн Ханом (Samsung Electronics) и доктором Чису Хоном (Принстонский университет). Результаты работы были недавно опубликованы в международном журнале 'ACS Nano', посвященном нанотехнологиям.

PNCs имеют большой потенциал в солнечных элементах следующего поколения и высокоэффективных дисплеях, поскольку их способность поглощать и излучать свет может быть точно контролируема в зависимости от размера и формы частиц благодаря "эффекту квантового ограничения". Однако традиционные методы синтеза PNC, такие как "горячая инъекция" и "осаждение с помощью лигандов (LARP)", имеют ограничения в производстве частиц одинакового размера и формы из-за высоких температур синтеза и сложных экспериментальных условий. В результате для получения частиц с желаемыми свойствами требовались дополнительные этапы обработки, что, в свою очередь, снижало производительность и ограничивало промышленные применения.

Научная группа POSTECH разработала метод синтеза, который точно контролирует размер и форму PNC, используя "жидкий кристалл (LC)" в качестве антираствора в методе LARP. LC — это промежуточная фаза материи, обладающая как жидкой текучестью, так и кристаллическим дальнодействующим молекулярным упорядочением. В LC-фазах молекулы выравниваются в предпочтительном направлении (определяемом директором), что приводит к эластичности. Поэтому, когда к LC-среде прикладывается внешняя сила, молекулы LC переориентируются, создавая значительные эластичные напряжения. Вдохновленные этим свойством, исследователи точно контролировали рост PNC, просто заменив антираствор в традиционном методе LARP на LC, сохраняя остальные условия синтеза. Эластичные напряжения LC ограничивали рост PNC при достижении экстраполяционной длины (ξ) LC, что позволяло массово производить нанокристаллы одинакового размера без необходимости в дополнительных процессах очистки.

Научная группа также обнаружила, что взаимодействие между лигандами, связывающимися с поверхностью PNC, и молекулами LC играет ключевую роль в снижении поверхностных дефектов. Поскольку молекулы LC имеют длинную, стержневидную структуру, лиганды могут быть плотно расположены между ними. В результате лиганды связываются более плотно с поверхностью во время формирования нанокристаллов, что минимизирует поверхностные дефекты и улучшает люминесцентные свойства.

Профессор Ёнг-Ки Ким объяснил: "Метод синтеза, разработанный нашей исследовательской группой, хорошо совместим с существующими методами синтеза, такими как обмен лигандами и микро-жидкостный синтез, и будет улучшать характеристики различных оптоэлектронных устройств, включая LED, солнечные элементы, лазеры и фотодетекторы". Он также отметил: "Эта технология обеспечивает массовое производство однородных высокопроизводительных нанокристаллов при комнатной температуре, и мы ожидаем, что она поможет ускорить коммерциализацию оптоэлектронных устройств на основе нанокристаллов".

Это исследование было поддержано Программой базовых исследований (Hanwoomul-Phagi Basic Research) и Программой для многообещающих технологий конвергенции будущего Национального фонда исследований Кореи (NRF).

Дополнительная информация

• Как жидкие кристаллы могут повлиять на другие области науки, помимо синтеза PNC? - Жидкие кристаллы могут быть использованы в оптике, фотонике и во множестве других областей, включая медицинские технологии и сенсоры, благодаря своим уникальным оптическим свойствам.

• Как технология синтеза, описанная в статье, может повлиять на стоимость производства оптоэлектронных устройств? - Новая технология синтеза может снизить стоимость производства оптоэлектронных устройств за счет упрощения процессов и повышения выходного качества материалов.

• Какие потенциальные вредные воздействия могут возникнуть при использовании новых методов синтеза в промышленности? - Новые методы синтеза могут нести риск выбросов токсичных химикатов в окружающую среду, а также возможные опасности для здоровья работников.

• Каковы возможные альтернативные применения перовскитных нанокристаллов за пределами солнечных панелей и светодиодов? - Перовскитные нанокристаллы могут быть использованы в фотоэлектрических устройствах, высокоточных сенсорах, а также в памяти и логических элементах.

• Каковы долгосрочные цели исследований в области нанокристаллических материалов и их применения? - Долгосрочные цели включают создание более эффективных и устойчивых материалов для энергетики, электроники и медицины, а также изучение их свойств для новых приложений.

Полная версия:: Highly uniform nanocrystals synthesized by liquid crystalline antisolvent

Новая наноразмерная техника раскрывает секреты квантовых материалов.

Учёные спешат разработать новые материалы для квантовых технологий в вычислениях и сенсорах для ультраточных измерений. Чтобы эти будущие технологии могли перейти из лаборатории в реальные приложения, необходимо гораздо более глубокое понимание поведения у поверхностей, особенно на границах между материалами.

Учёные из национальной лаборатории Аргонн Министерства энергетики США (DOE) представили новую технику, которая может способствовать развитию квантовых технологий.

Их инновация, чувствительная к поверхности спинтронная террагертц-спектроскопия (SSTS), предоставляет беспрецедентный взгляд на то, как квантовые материалы ведут себя на границах.

"Эта техника позволяет нам изучать поверхностные фононы — коллективные колебания атомов на поверхности материала или на границе между материалами," сказал Чжаодунь Чу, научный сотрудник после получения докторской степени в Аргонне и первый автор исследования.

"Наши результаты выявляют поразительные различия между поверхностными фононами и фононами в объёме материала, открывая новые пути для исследований и приложений."

В таких материалах, как кристаллы, атомы образуют повторяющиеся узоры, называемые решётками, которые могут вибрировать в волнах, известных как фононы.

Хотя о фононах в объёме материала известно многое, мало что известно о поверхностных фононах — тех, которые возникают на расстоянии нескольких нанометров от границы.

Исследование команды показало, что поверхностные фононы ведут себя иначе, обеспечивая уникальные квантовые поведения, такие как интерфейсная сверхпроводимость.

Сверхпроводимость, явление, при котором электроны текут без сопротивления, имеет приложения в таких технологиях, как МРТ-сканеры и ускорители частиц.

Интерфейсная сверхпроводимость — тип, который появляется только на границе между двумя материалами — имеет потенциал для новых квантовых технологий.

"Идея для этого открытия началась с обнаружения несколько лет назад, что границы между двумя кристаллическими материалами могут проявлять сверхпроводящее поведение, которое не проявляется в каждом из них по отдельности," сказал Ананд Бхаттачарья, физик из Аргонна.

"Только когда два материала находятся вместе, происходит сверхпроводящая магия на границе, которая отличается от объёма," добавил физик Аргонна Хаидан Вэн.

Считающее, что специфический тип колебаний в кристалле — называемый фононом TO1 — запускает эту интерфейсную сверхпроводимость, команда решила найти прямые доказательства его роли.

Существовало две основные проблемы, объяснил Вэн. Во-первых, граница зарыта в образце и имеет всего несколько нанометров в толщину, что затрудняет изучение с использованием обычных методов.

Во-вторых, команде нужно было работать с террагертцевым излучением, которое происходит в диапазоне частот, в тысячу раз превышающем 5G сети.

Многие важные квантовые эффекты происходят в этом террагертцевом диапазоне, но захватить их с высокой разрешающей способностью сложно.

Исследователи использовали свой метод SSTS на образцах, полученных путём осаждения тонкой магнитной пленки на оксидный кристалл.

В этом методе ультрафиолетовые лазерные импульсы проходят через оксидный кристалл и ударяются о тонкий магнитный слой.

Взаимодействие между лазерным светом и веществом затем производит террагертцевые колебания на границе оксида.

Используя эту технику, команда обнаружила фонон TO1. Они также показали, что поведение фонона в пределах 5 нанометров от границы отличается от объёма.

Поверхностные фононы подобны волнам в мелководье озера — они ведут себя иначе, чем те, что в глубоких водах.

"Наша технология, чувствительная к интерфейсу, может быть применена к широкому спектру материалов для исследования ускользающего квантового поведения, включая магнитизм и сверхпроводимость," сказал Майкл Норман, выдающийся сотрудник Аргонна и директор Аргоннского квантового института.

"Теперь у нас есть новое окно в квантовые материалы, которое может указать путь к новым квантовым устройствам для будущих технологий."

Бхаттачарья добавил: "Террагертцевый свет, взаимодействующий с веществом, может не только исследовать квантовые материалы новыми способами, как в нашем исследовании, но также индуцировать совершенно новые состояния вещества. Это невероятно волнующее направление для будущих исследований."

Это исследование было опубликовано в Science Advances. Кроме тех, кто был процитирован выше, авторами из Аргонна являются Джуний Янг, Ян Ли, Цзяньго Вэнь, Эшли Билински, Цюань Чжань, Алекс Мартинсон, Стефан Хрусзкевич и Диллон Фонг.

Также внесли свой вклад Сяодун Сю и Кайл Хванбо из Университета Вашингтона.

Финансирование исследования было предоставлено Офисом базовых энергетических наук DOE. Образцы были охарактеризованы с использованием террагертцевой эмиссионной спектроскопии в отделении материаловедения и с использованием электронной микроскопии в Центре наноматериалов Аргонна, в научном пользовательском объекте DOE.

Дополнительная информация

• Каковы основные вызовы, связанные с применением террагертцевого излучения для изучения квантовых материалов? - Основные вызовы включают сложность создания и стабилизации необходимых условий эксперимента, а также необходимость в высокой чувствительности оборудования для обнаружения изменений в материальных состояниях на квантовом уровне.
• Как именно взаимодействие террагертцевого света с веществом может индуцировать новые состояния материи? - Взаимодействие террагертцевого света с веществом может приводить к возбуждению электронов до высоких уровней энергии, что может приводить к образованию новых экзотических состояний, таких как топологические изоляторы или новые фазы сверхпроводимости.
• Каковы потенциальные применения интерфейсной сверхпроводимости в современных технологиях? - Потенциальные применения интерфейсной сверхпроводимости включают создание более эффективных и быстрых квантовых компьютеров и технологий для передачи энергии без сопротивления.
• Как закон сохранения энергии влияет на поведение фононов на границах материалов? - Закон сохранения энергии определяет, что при взаимодействии фононов на границах материалов происходит перераспределение энергии, что влияет на их распространение и взаимодействие, способствуя возникновению различных динамических явлений.
• Что такое фонон TO1 и почему он важен для интерфейсной сверхпроводимости? - Фонон TO1 представляет собой поперечный акустический фонон, который играет ключевую роль в интерфейсной сверхпроводимости, так как его взаимодействие с электронными состояниями может существенно повлиять на образование и стабильность сверхпроводящего состояния.

Полная версия:: New nanoscale technique unlocks quantum material secrets

Первопроходец среди женщин-атлетов может вскоре преодолеть барьер в 4 минуты на милю.

6 мая 1954 года Роджер Баннистер финишировал на стадионе Иффли Роуд в Оксфорде, Англия, и рухнул в объятия друзей после того, как стал первым человеком, пробежавшим милю менее чем за четыре минуты.

«Это было как восхождение на Эверест впервые», — сказал профессор интегративной физиологии Университета Колорадо в Боулдере Роджер Крам. «До Баннистера это считалось невозможным — за пределами человеческой физиологии».

Семьдесят лет спустя среди женщин-атлетов еще не появилось никого, кто мог бы повторить успех Баннистера, и некоторые задаются вопросом, возможно ли это. Новое исследование, опубликованное на этой неделе Крамом и его коллегами, предполагает, что с правильным выбором таймингом и расстановкой «пэйсеров» (тем, кто задает темп) ответ положительный — и кенийская олимпийка Фейт Кипегон на грани этого достижения.

«Мы выяснили, что если все пойдет как нужно, при нескольких различных сценариях драфтинга она сможет преодолеть барьер в 4 минуты», — сказала соавтор Шалайя Кипп, олимпийская бегунья на средние дистанции, которая получила степень магистра в лаборатории Крама. «Это крайне волнительно, что мы теперь говорим о пределах женской спортивной производительности и изучаем их».

От «Breaking 2» к «Breaking 4»

В 2016 году лаборатория Крама подсчитала, что нужно, чтобы мужчина преодолел легендарный барьер марафона за два часа.

Он и его студенты пришли к выводу, что, помимо интенсивных тренировок, современных кроссовок и идеальных условий для дистанции и погоды, драфтинг — бег позади или перед другим бегуном для снижения сопротивления воздуха — был ключевым.

Во многом основываясь на их исследованиях, Nike организовала проект Breaking2 в мае 2017 года, чтобы создать эти условия для кенийского марафонца Элиуда Кипчоге. Кипчоге почти достиг своей цели в тот день, но смог сделать это на аналогичных соревнованиях в Вене в 2019 году.

Четыре года спустя Крам с интересом наблюдал, как кенийка Фейт Кипегон побила рекорды в женских дисциплинах на 1500 метров, 5000 метров и милю — все за меньше чем два месяца, воспитывая при этом свою дочь.

Когда Кипегон побила мировой рекорд на милю с временем 4 минуты 7,64 секунды, она была всего на 3% дальше от преодоления барьера в 4 минуты, отметил Крам. Совпадением стало то, что, когда его команда впервые начала исследование, тогдашний рекордсмен в марафоне был также на 3% ниже заветных двух часов.

Крам и его бывшие студенты, теперь разбросанные по исследовательским учреждениям по всему миру, снова собрались — на этот раз, чтобы исследовать пределы женской производительности.

Сила драфтинга

Бегая в одиночку, даже в безветренный день, молекулы воздуха сталкиваются с вами, замедляя движение. Бегая в тени пэйсера или лучше, с бегунами спереди и сзади, вы тратите меньше энергии.

«Бегун спереди буквально сдвигает молекулы воздуха в сторону», — сказал Крам.

На скорости в четыре минуты за милю бегун такого размера, как Кипегон, должен преодолеть удивительно большую силу сопротивления воздуха — около 2% от своего веса. Команда ранее установила, что полное устранение этой силы снизило бы затраты энергии примерно на 12%, позволив ей бежать быстрее.

«Любой, от топового элита до начинающих бегунов, может извлечь выгоду от оптимальной драфтинг-формации на как можно большей части своей гонки», — сказал Эдсон Соарес да Силва, первый автор нового исследования.

Например, да Силва подсчитал, что женщина-бегун весом 125 фунтов (около 57 кг) и ростом 5 футов 7 дюймов (170 см), которая обычно пробегает марафон за 3:35, могла бы улучшить свое время на целых пять минут.

Секретный номер

Для нового исследования команда изучила видео с рекордом Кипегон на милю в Монако.

Условия были идеальными, но ее пэйсеры изначально бежали слишком быстро, сказал Крам, позволяя зазору между собой и ней увеличиваться. К последнему кругу ее пэйсеры выбежали, и ей пришлось бежать одной.

Идеально, отметил он, один пэйсер должен находиться правильно расположенным спереди, другой позади в первой половине мили; затем другая пара с свежими силами должна заменить их на полумиле. Совокупно, согласно предыдущим исследованиям, они могли бы снизить сопротивление воздуха на 76%. Используя это значение, команда расчистила ее предположительное время финиша: удивительно, 3:59.37 — то же время, которое показал Баннистер в 1954 году.

Вдохновение для ученых и бегунов

Кипп, сейчас являющаяся постдокторантом в клинике Майо, подчеркивает, что их исследование, как и многие другие в этой области, основывалось на предыдущих исследованиях, в которых не учитывались женщины.

Авторы надеются, что их статья поможет пробудить больший интерес к изучению физиологии спортсменок и вдохновит интерес к женскому легкой атлетике.

Они недавно отправили копию статьи Кипегон, ее тренерам и ее спонсорам в Nike, предложив идею о проведении еще одной стилизованной гонки, подобно Breaking2.

«Надеемся», — заканчивается последняя строка статьи, — «г-жа Кипегон сможет протестировать наше предсказание на треке».

Дополнительная информация

• Почему драфтинг считается важным для спортивных достижений в лёгкой атлетике? - Драфтинг позволяет атлетам экономить энергию, так как они могут избежать сопротивления воздуха, следуя за другим бегуном, что помогает улучшить результаты.

• Каковы потенциальные последствия достижения Фейт Кипегон барьера в 4 минуты для женской атлетики? - Достижение Фейт Кипегон барьера в 4 минуты могло бы означать значительный рост интереса к женской атлетике, а также послужить новым стандартом для будущих спортсменок.

• Каково влияние современного спортивного оборудования, такого как кроссовки, на беговые результаты? - Современные кроссовки с технологией амортизации и аэродинамическим дизайном могут существенно улучшить результаты бегунов, сокращая время на дистанции.

• Какие изменения произошли в женской лёгкой атлетике с момента установления барьера в 4 минуты для мужчин? - С тех пор женская лёгкая атлетика стала более конкурентоспособной, увеличилось количество профессиональных спортсменок и улучшились тренировки и поддержка для женщин в спорте.

Полная версия:: First female runner could soon break the 4-minute-mile barrier

Новая трансплантация костного мозга может излечить серповидноклеточную анемию, предполагает исследование.

Процесс трансплантации костного мозга, совместно разработанный исследователями Центра рака Киммела при Университете Джонса Хопкинса, является безопасным и излечивающим для взрослых с серповидноклеточной анемией, согласно результатам испытания, завершенного в Джонс Хопкинс и около 20 других онкологических центрах по всей стране и в Лондоне. Лечение, доступное в нескольких медицинских учреждениях США, является жизнеспособной и менее дорогостоящей альтернативой недавно одобренным продуктам генотерапии для серповидноклеточной анемии, отмечают авторы.

В данной процедуре, называемой трансплантацией костного мозга с уменьшенной интенсивностью от генетически полумatched донора, костный мозг предоставляется «полумatched» донором, таким как родитель, брат, сестра, ребенок, племянник, племянница, дядя, тетя или кузен пациента.

Это означает, что белки, которые помогают функционированию иммунной системы организма и присутствуют на клетках костного мозга донора, должны совпадать как минимум с половиной этих белков на клетках реципиента, чтобы быть хорошим вариантом и не атаковать организм реципиента после трансплантации.

Перед трансплантацией пациенты проходят лечение низкими дозами химиотерапии и получают облучение всего тела.

После трансплантации им назначают циклофосфамид (лекарство для предотвращения реакции «трансплантат против хозяина», при которой иммунные клетки донорского костного мозга атакуют их нового хозяина) и другие препараты на срок до одного года.

Среди 42 человек с тяжелой серповидноклеточной анемией, которые прошли процедуру в ходе испытания, 95% были живы через два года после трансплантации, а 88% считаются исцеленными и не испытывают заболеваний, связанных с анемией.

Эти результаты будут опубликованы в выпуске The New England Journal of Medicine Evidence за 25 февраля. Ранние результаты были представлены в декабре 2023 года на ежегодной встрече Американского общества гематологии.

Испытание показало очень высокий уровень приживления донорских клеток и очень высокие показатели излечения, отмечают авторы.

«Наши результаты при аллогенной трансплантации ничем не хуже, а, может быть, даже лучше, чем те, которые вы видите при генотерапии», — говорит доктор Ричард Джонс, профессор онкологии, директор программы трансплантации костного мозга и сопредседатель программы гематологических опухолей в Центре рака Киммела.

Большинство людей с серповидноклеточной анемией имеют право на трансплантацию, стоимость которой составляет лишь небольшую долю от цены генотерапии, говорит он.

«Многие люди — и, возможно, большинство взрослых — не могут пройти генотерапию из-за требования высоких доз химиотерапии, которую люди с повреждениями органов не могут получить», — говорит Джонс.

«Риск долгосрочных побочных эффектов, вероятно, также будет выше при генотерапии, как в отношении повреждения органов, так и риска лейкемии».

Распространенное заблуждение в медицинской сфере заключается в том, что трансплантация при серповидноклеточной анемии требует идеально подходящего донора и может привести к тяжелой реакции «трансплантат против хозяина» и высокой смертности, что это испытание и другие исследования показали, не соответствует действительности, говорит сопереводитель исследования доктор Роберт Бродски, профессор медицины и онкологии имени семьи Джонса Хопкинса и директор отдела гематологии в Медицинской школе Университета Джонса Хопкинса.

Трансплантация является гораздо менее дорогостоящей опцией для медицинских учреждений и пациентов, говорит Бродски.

С трансплантацией пациенты находятся в больнице около восьми дней, в отличие от шести-восьми недель для генотерапии.

Кроме того, «медiana число трансфузий для пациента, получающего генотерапию, составляет 50, тогда как медiana число трансфузий после трансплантации костного мозга с полумatched донором составляет шесть. Это делается почти полностью амбулаторно», говорит он.

Обзорная статья, сравнивающая аллогенную трансплантацию костного мозга и генотерапию, которую Джонс и Бродски написали в соавторстве, была опубликована в выпуске журнала Blood Advances за 25 февраля. В статье показано, что оценочная стоимость генотерапии составляет от 2 до 3 миллионов долларов, по сравнению с примерно 467 747 долларов за трансплантацию.

Средний возраст участников второго этапа испытания, которое проходило с 2017 по 2021 год, составил 22 года; 59% составили мужчины, 92% были чернокожими, а 4% - латиноамериканцами.

Среднее время наблюдения составило 37 месяцев. Серьезные побочные эффекты были редкими и включали три случая отказа трансплантата, умеренную до тяжелую реакцию «трансплантат против хозяина» (22%) и две смерти в первый год после трансплантации (одна от COVID-19).

Серповидноклеточная анемия — это болезненное заболевание крови, при котором красные кровяные клетки имеют форму серпа вместо диска и склонны закупоривать кровеносные сосуды — затрагивает около 100 000 американцев (в основном чернокожих), согласно данным Центра по контролю и профилактике заболеваний США.

Клиническое испытание было поддержано и спонсировано Сетью клинических испытаний по трансплантации крови и костного мозга; Национальными институтами здоровья; Национальным институтом сердца, легких и крови и Национальным раковым институтом (гранты U10HL069294 и U24HL138660).

Другими центрами-участниками испытания были Медицинский центр Университета Вандербильта в Нэшвилле, Теннесси; Медицинская школа Университета Калифорнии в Сан-Франциско; Медицинский колледж Висконсина в Милуоки; Больница Нортсайда в Атланте; Детская больница в Колорадо; Центр рака H. Lee Moffitt в Тампе, Флорида; Комплексный cancer центр Розуэлл Парк в Баффало, Нью-Йорк; Детская больница Atrium Health Levine в Ш

Дополнительная информация

• Каков механизм работы циклофосфамид в процессе трансплантации костного мозга? - Циклофосфамид является химиотерапевтическим препаратом, который используется для подавления иммунной системы, уменьшая вероятность отторжения трансплантата и позволяя донорским клеткам лучше приживаться.
• Каковы основные функции белков, определяющих совпадение между донором и реципиентом? - Белки, определяющие совпадение, (например, антигенные системы HLA) помогают организму распознавать свои и чужие клетки, что критически важно для предотвращения отторжения трансплантата.
• Какова роль облучения всего тела перед трансплантацией костного мозга? - Облучение всего тела (TBI) используется для уничтожения оставшихся нездоровых клеток и подавления иммунной системы пациента, что помогает улучшить приживаемость донорских клеток.
• Каковы потенциальные долгосрочные побочные эффекты трансплантации костного мозга по сравнению с генотерапией? - Долгосрочные побочные эффекты трансплантации костного мозга могут включать хронические инфекции, гепатотоксичность и вторичные злокачественные заболевания, тогда как генотерапия может привести к менее выраженным, но все еще потенциальным долгосрочным рискам, включая иммунные реакции.
• Какое значение имеет уровень приживления донорских клеток в успехе трансплантации? - Высокий уровень приживления донорских клеток критически важен для успешного восстановления гемопоэза и достижения ремиссии заболевания.
• Каковы ключевые факторы, способствующие тяжести серповидноклеточной анемии у пациентов? - Ключевыми факторами являются генетические мутации, частота кризов, состояние окружающей среды и доступ к медицинскому обслуживанию.

Полная версия:: Novel bone marrow transplant can cure sickle cell disease, study suggests

Гигантские ледяные бульдозеры: как древние ледники способствовали эволюции жизни.

Новое исследование Университета Кертина показало, как массивные древние ледники действовали как гигантские бульдозеры, изменяя поверхность Земли и создавая условия для процветания сложной жизни.

Путем химического анализа кристаллов в древних породах, ученые обнаружили, что, вырезая ландшафт, ледники углублялись в земную кору, высвобождая ключевые минералы, которые изменяли химию океанов.

Этот процесс оказал глубокое воздействие на состав нашей планеты, создавая условия, которые позволили сложной жизни развиваться.

Ведущий автор профессор Крис Киркленд из Группы по изучению минеральных систем в Институте геонаучных решений Университета Кертина сказал, что исследование предоставляет ценные сведения о том, как естественные системы Земли глубоко взаимосвязаны.

«Когда эти гигантские ледяные щиты растаяли, они вызвали огромные наводнения, которые сбросили минералы и их химические компоненты, включая уран, в океаны», — сказал профессор Киркленд.

«Этот приток элементов изменил химию океана в период, когда начинала развиваться более сложная жизнь.

«Это исследование подчеркивает, как земля, океаны, атмосфера и климат Земли тесно связаны — даже древняя ледниковая активность вызывала химические цепные реакции, которые изменяли планету».

Профессор Киркленд отметил, что исследование также дает новую перспективу на современное изменение климата, показывая, как прошлые изменения климата на Земле вызывали крупномасштабные экологические трансформации.

«Это исследование является ярким напоминанием о том, что хотя сама Земля и выдержит испытания временем, условия, делающие её обитаемой, могут кардинально измениться», — сказал профессор Киркленд.

«Эти древние климатические изменения демонстрируют, что экологические изменения, будь то естественные или вызванные человеком, имеют глубокие и долговременные последствия.

«Понимание этих прошлых событий может помочь нам лучше предсказать, как изменения климата сегодня могут изменить наш мир».

Исследование проводилось в сотрудничестве с Университетом Портсмута и Университетом Святого Франциска Ксаверия в Канаде.

Дополнительная информация

• Какие минералы высвобождались ледниками и какое влияние они имели на экосистемы в древности? - Ледники высвобождали такие минералы, как кальций и магний, которые способствовали обогащению почвы и водоемов, тем самым поддерживая разнообразие жизни в экосистемах.

• Как именно изменение химического состава океана способствовало эволюции более сложных форм жизни? - Изменение химического состава океана, такое как увеличение уровня кислорода и питательных веществ, создало условия для развития многоклеточных организмов и сложных экосистем.

• В каком объёме исследовались взаимодействия между древними ледниками, океанами и климатом на протяжении времени? - Исследования охватывали миллионы лет, используя методы геологической и климатической реконструкции для анализа изменений взаимодействий между ледниками, океанами и климатом.

• Как данные из этого исследования могут быть использованы для прогноза будущих изменений климата? - Данные из исследований помогают ученым понять исторические изменения климата, что позволяет прогнозировать будущие изменения, основываясь на закономерностях, выявленных в прошлом.

Полная версия:: Giant ice bulldozers: How ancient glaciers helped life evolve

Прорывное исследование показывает, как топология управляет сложностью в мозге, климате и ИИ.

Прорывное исследование под руководством профессора Джинестры Бьянкони из Университета Куин Мэри в Лондоне, в сотрудничестве с международными учеными, представило трансформационную рамку для понимания сложных систем. Опубликованное в журнале Nature Physics, это передовое исследование основывает новую область высшего порядкового топологического динамики, раскрывая, как скрытая геометрия сетей формирует всё, начиная от активности мозга и заканчивая искусственным интеллектом.

"Сложные системы, такие как мозг, климат и искусственный интеллект следующего поколения, полагаются на взаимодействия, которые выходят за рамки простых парных отношений. Наше исследование раскрывает критическую роль высших порядковых сетей, структур, которые учитывают многоцелевые взаимодействия, в формировании динамики таких систем," — сказала профессор Бьянкони.

Интегрируя дискретную топологию с нелинейной динамикой, исследование подчеркивает, как топологические сигналы, динамические переменные, определяемые на узлах, рёбер, треугольниках и других структурах высшего порядка, управляют такими явлениями, как топологическая синхронизация, формирование паттернов и триадическая перколяция.

Эти находки не только продвигают понимание основных механизмов в нейробиологии и климатологии, но также прокладывают путь для революционных алгоритмов машинного обучения, вдохновлённых теоретической физикой.

"Удивительный результат, который emerges из этого исследования," добавила профессор Бьянкони, "это то, что топологические операторы, включая топологический оператор Дирака, предлагают общий язык для обработки сложности, алгоритмов ИИ и квантовой физики."

"От синхронизированных ритмов активности мозга до динамических паттернов климатической системы, исследование устанавливает связь между топологическими структурами и возникающим поведением."

Например, ученые демонстрируют, как высшие порядковые дыры в сетях могут локализовать динамические состояния, предлагая потенциальные приложения в хранении информации и нейронном контроле.

В области искусственного интеллекта этот подход может привести к разработке алгоритмов, которые имитируют адаптивность и эффективность естественных систем.

"Способность топологии как структурировать, так и управлять динамикой — это революционное изменение," добавила профессор Бьянкони.

Это исследование закладывает основу для дальнейшего изучения динамических топологических систем и их применения, от понимания исследовательской работы с мозгом до формирования новых алгоритмов ИИ.

Это исследование объединяет ведущие умы из учреждений Европы, Соединённых Штатов и Японии, демонстрируя силу междисциплинарного исследования. "Наша работа демонстрирует, что слияние топологии, высших порядковых сетей и нелинейной динамики может дать ответы на некоторые из самых насущных вопросов науки сегодня," — отметил профессор Бьянкони.

Дополнительная информация

• Какие существуют практические примеры использования топологических операторов в области квантовой физики? - Топологические операторы используются в квантовых вычислениях для создания устойчивых к ошибкам состояний и в изучении топологических фаз материи.
• Как исследование профессора Бьянкони соотносится с предшествующими работами в области топологии и динамики? - Исследование профессора Бьянкони расширяет основы, заложенные в работах по квантовой топологии, углубляя понимание динамических процессов в топологических системах.
• Каковы последствия для междисциплинарного исследования, выделяемые в этой работе, для будущих научных исследований? - Работа подчеркивает важность интеграции математических методов и физических концепций, что открывает новые перспективы для междисциплинарного подхода в науке.

Полная версия:: Groundbreaking study reveals how topology drives complexity in brain, climate, and AI

Ученые приветствуют прорыв в области активных материалов с созданием трехмерных "синтетических червей".

Исследователи из Университета Бристоля совершили прорыв в разработке "похожих на жизнь" синтетических материалов, которые способны двигаться самостоятельно, как черви.

Ученые изучают новый класс материалов, называемый "активные материалы", которые могут быть использованы в различных приложениях, от доставки лекарств до самовосстанавливающихся материалов.

В отличие от неживых материалов — неподвижных веществ, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, таких как пластик и дерево — активные материалы могут демонстрировать увлекательное поведение, напоминающее жизнь.

Эти материалы состоят из элементов, которые приводятся в неравновесное состояние внутренними источниками энергии, что позволяет им двигаться независимо.

Исследователи из Университета Бристоля в сотрудничестве с учеными в Париже и Лейдене провели эксперимент, используя специальные микрочастицы (одна миллионная метра), называемые коллоидами Януса, которые были взвешены в жидкой смеси.

Команда затем активировала материал, применив сильное электрическое поле, и наблюдала за эффектами с помощью специального вида микроскопа, который делает трехмерные изображения.

Предыдущие исследования в этой области использовали более крупные коллоидные частицы, но, уменьшив коллоиды до одной трети их размера, исследователи из Университета Бристоля смогли экспериментировать в трехмерном пространстве и получили удивительные результаты.

Когда электрическое поле было включено, разбросанные коллоидные частицы сливались вместе, формируя структуры, похожие на червей, что создало полностью трехмерную систему синтетического активного материала.

Научная статья "Двигающиеся строки активных дипольных коллоидов" была опубликована в журнале Physical Review Letters. Первый автор г-н Сичен Чао объяснил: "Мы обнаружили формирование увлекательных новых структур — самодвижущихся активных нити, которые напоминают живых червей. Затем мы смогли разработать теоретическую основу, которая позволила нам предсказывать и контролировать движение синтетических червей исключительно на основе их длины."

Соавтор профессора Танне Ливерпуль добавила: "Хотя реальное применение, вероятно, отдалено в будущем, поскольку эти материалы могут двигаться независимо, это в конечном итоге может привести к созданию устройств, которые смогут независимо перемещать различные части самих себя, или к разработке роя частиц, которые могут искать цель, что может иметь здоровьеохранительные применения, имея специально нацеленные лекарства и методы лечения."

Цепочки синтетических червей, обнаруженные в рамках исследования, появляются при низкой плотности. При более высоких плотностях исследователи обнаружили, что частицы образуют листообразные и лабиринтообразные структуры.

Академики Университета Бристоля полагают, что существует несколько полезных применений для этого прорыва, которые они сейчас исследуют с помощью дополнительных экспериментов и теоретического моделирования.

Дополнительная информация

• Что такое коллоида Януса и как они отличаются от обычных коллоидов? - Коллоиды Януса представляют собой частицы, у которых есть две или более поверхности с разными свойствами. Они отличаются от обычных коллоидов тем, что обладают асимметрией, что придаёт им уникальные механические и химические свойства, позволяющие им взаимодействовать с различными средами по-разному.
• Какие другие типы активных материалов существуют и как они применяются в различных областях? - Существуют активные гели, самосборные нано-структуры и реактивные полимеры. Эти материалы применяются в биомедицине, робототехнике и функциональных покрытиях.
• Как движение синтетических червей может изменить подход к разработке роботов и автономных устройств? - Исследования синтетических червей показывают возможности создания более адаптивных и автономных роботов, которые могут эффективно перемещаться по нестабильным или изменяющимся средам, благодаря гибким и динамичным методам передвижения.
• Что подразумевается под "неравновесным состоянием" в контексте активных материалов? - Неравновесное состояние относится к состоянию системы, в которой отсутствует термодинамическое равновесие, что позволяет активным материалам демонстрировать необычное поведение, включая спонтанное движение и изменение их свойств во времени.
• Какие современные методы моделирования используются для анализа поведения активных материалов? - В современных исследованиях активно используются методы молекулярной динамики, агенто-ориентированного моделирования и численного моделирования, которые позволяют анализировать взаимодействия на микроуровне и макроуровне.

Полная версия:: Scientists herald active matter breakthrough with creation of three-dimensional 'synthetic worms'

Залив Марса: Ровер находит доказательства «вакансионных» пляжей на Марсе.

Согласно новому исследованию, опубликованному сегодня (24 февраля) в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), Марс когда-то мог быть родиной солнечных, песчаных пляжей с нежными, набегающими волнами.

Международная команда ученых, в которую входят исследователи из Пенсильванского университета, использовала данные с марсохода Zhurong, чтобы идентифицировать скрытые слои камня под поверхностью планеты, которые наглядно свидетельствуют о наличии древнего северного океана. Новое исследование предлагает самые убедительные доказательства того, что на планете когда-то находился значительный водоем и более пригодная для жизни среда, согласно Бенджамину Карденасу, ассистенту профессора геологии в Пенсильванском университете и соавтору исследования.

«Мы находим на Марсе места, которые когда-то выглядели как древние пляжи и древние речные дельты», - сказал Карденас. «Мы нашли доказательства присутствия ветра и волн, а также у нас нет недостатка в песке - настоящий, курортный пляж».

Марсохид Zhurong приземлился на Марсе в 2021 году в районе, известном как Утопия Планития, и отправил данные о геологии своего окружения в поисках признаков древней воды или льда. В отличие от других марсоходов, он был оснащён радаром, проникающим в грунт, что позволило ему исследовать подсистему планеты, используя как низкочастотный, так и высокочастотный радиолокационный диапазон, чтобы проникать в марсианский грунт и идентифицировать захороненные каменные формы.

Изучая подземные осадочные отложения, ученые могут собрать более полную картину истории красной планеты, объяснил Карденас. Когда команда проанализировала радарные данные, они обнаружили схожую слоистую структуру с пляжами на Земле: образования, называемые «прибрежными отложениями» (foreshore deposits), которые наклоняются к океанам и формируются, когда осадки переносятся приливами и волнами в большой водоем.

«Это сразу бросилось нам в глаза, потому что это предполагает наличие волн, что означает существование динамического взаимодействия воздуха и воды», - сказал Карденас. «Когда мы оглядываемся на то, где развивалась самая ранняя жизнь на Земле, это было в взаимодействии между океанами и сушей, так что это рисует картину древних обитаемых сред, способных поддерживать условия, благоприятные для микробной жизни».

Когда команда сравнила марсианские данные с радарными изображениями прибрежных отложений на Земле, они обнаружили поразительные сходства, заявил Карденас. Углы наклона, наблюдаемые на Марсе, оказались в пределах диапазона, наблюдаемого в прибрежных осадочных отложениях на Земле.

Исследователи также исключили другие возможные источники для наклонных отражателей, такие как древние русла рек, ветер или древняя вулканическая активность. Они предположили, что устойчивая наклонная форма образований, а также толщина осадков указывает на прибрежное происхождение.

«Мы видим, что береговая линия этого водоема эволюционировала с течением времени», - сказал Карденас. «Мы склонны думать о Марсе как о статическом снимке планеты, но он развивался. Реки текли, осадки перемещались, и суша создавалась и разрушалась. Этот тип осадочной геологии может рассказать нам, как выглядел пейзаж, как он эволюционировал и, что важно, помочь нам определить, где нам стоит искать следы жизни в прошлом».

Это открытие указывает на то, что Марс когда-то был значительно более влажным местом, чем сегодня, что ещё больше поддерживает гипотезу о существовавшем в прошлом океане, который покрывал большую часть северного полюса планеты, объяснил Карденас. Исследование также предоставило новую информацию о развитии марсианской среды, предполагая, что благоприятный для жизни теплый и влажный период длился потенциально десятки миллионов лет.

«Возможности марсохода Zhurong позволили нам понять геологическую историю планеты совершенно новым образом», - сказал Майкл Мангa, профессор земных и планетарных наук в Калифорнийском университете в Беркли и соавтор статьи. «Его радар, проникающий в грунт, дает нам представление о подсистеме планеты, что позволяет нам заниматься геологией, которую мы никогда бы не смогли сделать раньше. Все эти невероятные достижения в технологии сделали возможным проведение основных научных исследований, раскрывающих множество новой информации о Марсе».

Другими соавторами статьи являются Хай Лю из Университета Гуанчжоу и Гуаньюй Фан из Китайской академии наук. Другим соавтором из Пенсильванского университета является Дерек Эльсворт, председатель G. Albert Shoemaker и профессор энергетического, минералогического инжиниринга и геонаук. Остальными авторами являются Цзяньхуи Ли, Сюй Мэн, Дивэнь Дуань и Хайцзин Лу из Университета Гуанчжоу; Цзиньхай Чжан и Бин Чжоу из Китайской академии наук; а также Фэншоу Чжан из Университета Тунцзи в Шанхае, Китай.

Дополнительная информация

• Какие другие условия, помимо наличия воды, считаются необходимыми для возникновения жизни на других планетах? - К числу важных условий для возникновения жизни относятся наличие подходящей температуры, необходимых химических элементов (например, углерод, кислород, водород, азот) и стабильная атмосфера с возможностью защиты от радиации.
• Как технологии радарного зондирования изменили подход к изучению других планет? - Технологии радарного зондирования позволяют более точно исследовать подземные структуры и состав, выявляя информацию о геологических формациях, наличии воды и потенциальных ресурсах на других планетах.
• Какова геология Марса отличается от геологии Земли в контексте древних пляжей? - Марс имеет более сухую и холодную среду, а его древние пляжи, вероятно, были сформированы под воздействием воды в прошлом, однако сохранили уникальные геоминералы и структуры, которые отличаются от земных пляжей.
• Каковы потенциальные последствия изменения климата на Марсе для его будущего исследования? - Изменение климата на Марсе может повлиять на доступность воды и на условия для будущих миссий, what может затруднить поиск следов жизни или других биомаркеров на планете.
• Какие методы используются для идентификации осадочных отложений на Марсе и других планетах? - Методы включает в себя использование спектроскопии, анализа внешних данных, полученных с орбитальных аппаратов, а также прямое исследование образцов с помощью марсоходов.
• Как исследование марсианских пляжей может помочь в понимании климатических изменений на Земле? - Исследование древних марсианских пляжей может предоставить важные аналогии и информацию о климатических процессах, которые могут происходить на Земле, помогая раскрыть эволюцию климата и условий жизни.
• В чем заключаются основные отличия между радаром Zhurong и оборудованием других марсоходов? - Радар Zhurong использует уникальные технологии для глубокого зондирования подземных структур, что отличает его от других марсоходов, использующих менее продвинутые методы для анализа подземных слоев.

Полная версия:: Gulf of Mars: Rover finds evidence of 'vacation-style' beaches on Mars

Земля на горизонте! Эксперименты в GSI/FAIR показывают берег острова стабильности сверхтяжёлых элементов.

Команда исследователей из GSI/FAIR, Университета имени Иоганна Гутенберга в Майнце и Института Гельмгольца в Майнце смогла более точно исследовать границы так называемого острова стабильности среди сверхтяжёлых ядер, измерив ядро сверхтяжёлого элемента рутерфордия-252, которое теперь является самым короткоживущим известным сверхтяжёлым ядром. Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters и отмечены как «рекомендация редактора».

Сильное взаимодействие обеспечивает сцепление протонов и нейтронов в атомных ядрах. Однако из-за того, что положительно заряженные протоны отталкиваются друг от друга, ядра с избыточным числом протонов могут расколоться – это вызов при производстве новых, сверхтяжёлых элементов. Некоторые комбинации протонов и нейтронов, так называемые "магические числа", придают ядрам дополнительную стабильность. Учитывая эти магические комбинации, теоретические работы, начавшиеся в 1960-е годы, предсказывают остров стабильности в море нестабильных сверхтяжёлых ядер, где могут быть достигнуты очень долгие периоды полураспада, даже приближающиеся к возрасту Земли.

Концепция этого острова была подтверждена, когда наблюдались увеличивающиеся периоды полураспада у самых тяжелых известных в настоящий момент ядер по мере приближения к предсказанному следующему магическому числу 184 нейтронов. Однако местоположение вершины этого острова, его высота (отражающая максимальный ожидаемый период полураспада), а также протяжённость острова остаются неизвестными. Исследователи из GSI/FAIR в Дармштадте, Университета имени Иоганна Гутенберга в Майнце (JGU) и Института Гельмгольца в Майнце (HIM) сделали шаг вперёд в картографировании этого острова, обнаружив самое короткоживущее сверхтяжёлое ядро на данный момент, которое обозначает положение берега острова среди ядер рутерфордия (Rf, элемент 104).

Для экспериментального обнаружения минимальный период жизни сверхтяжёлых ядер составляет порядка миллионной доли секунды, что делает сверхкороткоживущие ядра вблизи моря нестабильности недоступными. Но здесь есть хитрость: иногда возбуждённые состояния, стабилизированные квантовыми эффектами, показывают более длительные периоды жизни и открывают дверь к короткоживущим ядрам. «Такие долгоживущие возбужденные состояния, так называемые изомеры, широко распространены среди сверхтяжёлых ядер деформированной формы, согласно моим расчётам» - говорит доктор Хуйагбаатар Жадамба, первый автор публикации из исследовательского отдела химии сверхтяжёлых элементов GSI/FAIR. «Таким образом, они дополняют картину острова стабильности 'облаками стабильности', парящими над морем нестабильности».

Исследовательской команде из Дармштадта и Майнца удалось подтвердить эти предсказания, исследуя до этого неизвестное ядро Rf-252. Учёные использовали интенсивный пучок титана-50, доступный на ускорителе UNILAC в GSI/FAIR, для слияния ядер титана с ядрами свинца, нанесенными на фольгу-мишень. Продукты слияния были разделены в аппарате TransActinide Separator and Chemistry Apparatus TASCA. Они были имплантированы в кремниевый детектор после времени пролёта около 0,6 микросекунды. Этот детектор регистрировал их имплантацию, а также их последующий распад.

Всего было обнаружено 27 атомов Rf-252, распадающихся посредством деления с периодом полураспада 13 микросекунд. Благодаря быстродействующей цифровой системе сбора данных, разработанной отделом экспериментальной электроники GSI/FAIR, были обнаружены электроны, эмитированные после имплантации изомера Rf-252m и высвобожденные при его распаде на основное состояние. Были зарегистрированы три таких случая. Во всех случаях последующее деление следовало в течение 250 наносекунд. Из этих данных был выведен период полураспада 60 нс для основного состояния Rf-252, которое теперь является самым короткоживущим известным сверхтяжёлым ядром.

«Результат уменьшает нижнюю границу известных периодов жизни самых тяжёлых ядер почти на два порядка величины, до времен, которые слишком коротки для прямого измерения в отсутствие подходящих изомерных состояний. Настоящие открытия устанавливают новую точку отсчёта для дальнейшего изучения явлений, связанных с такими изомерными состояниями, инверсной стабильности при делении, когда возбужденные состояния более стабильны, чем основное состояние, и изотопной границы у самых тяжёлых ядер», — говорит профессор Кристоф Е. Дюльманн, руководитель исследовательского отдела химии сверхтяжёлых элементов GSI/FAIR.

В будущих экспериментальных кампаниях планируется измерение изомерных состояний с инверсной стабильностью при делении в следующем более тяжёлом элементе сиборгии (Sg, элемент 106) и их использование для синтеза изотопов Sg с продолжительностью жизни менее микросекунды с целью дальнейшего картирования изотопной границы. Этот результат также открывает новые перспективы для международного центра FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), который в настоящее время строится в Дармштадте.

Дополнительная информация

• Что такое "остров стабильности" в ядерной физике? - Остров стабильности — это гипотетическая зона на диаграмме нуклидов, где сверхтяжелые элементы могут обладать относительной стабильностью благодаря особым сочетаниям протонов и нейтронов.
• Какие основные различия между стабильными и нестабильными ядрами? - Стабильные ядра не претерпевают радиоактивного распада и сохраняют свою структуру со временем, в отличие от нестабильных ядер, которые могут распадаться, испуская излучение.
• Какие условия считаются необходимыми для появления "магических чисел" в атомных ядрах? - Магические числа появляются, когда определенное число протонов или нейтронов образует полностью заполненные оболочки, что способствует большей стабильности ядра.
• Какова роль изомеров в изучении сверхтяжёлых элементов? - Изомеры, обладающие различной энергией и стабильностью, помогают исследователям изучать структуру и свойства сверхтяжелых элементов, а также дают информацию о ядерных силах.
• Что такое Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR)? - Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) — это международный исследовательский центр в Германии, предназначенный для изучения свойств материи при экстремальных условиях с использованием антипротонов и ионов.
• Как исследования сверхтяжёлых элементов помогают в понимании фундаментальных сил природы? - Исследования сверхтяжелых элементов предоставляют данные о ядерных взаимодействиях, устойчивости ядер и структуре материи, что способствует более глубокому пониманию фундаментальных сил, таких как ядерные взаимодействия и силы взаимодействия в атомах.

Полная версия:: Land ahoy! Experiments at GSI/FAIR reveal the shoreline of the island of stability of super-heavy elements

В древних звездных колыбелях некоторые звезды рождаются из пушистых облаков.

Как рождаются звезды, и всегда ли это происходит таким образом?

Звезды формируются в областях космоса, известных как звездные колыбели, где высокие концентрации газа и пыли соединяются, чтобы сформировать молодую звезду.

Эти области, также называемые молекулярными облаками, могут быть огромными, простираясь на сотни световых лет и формируя тысячи звезд.

И хотя благодаря достижениям в технологии и наблюдательных инструментах мы многое знаем о жизненном цикле звезды, точные детали остаются неясными.

Например, формировались ли звезды таким образом в ранней вселенной?

Опубликованное в The Astrophysical Journal исследование ученых из Университета Кюсю в сотрудничестве с Осакским муниципальным университетом показывает, что в ранней вселенной некоторые звезды могли сформироваться в «пушистых» молекулярных облаках.

Полученные результаты были основаны на наблюдениях за Малым Магеллановым Облаком и могут предоставить новую перспективу на процесс формирования звезд на протяжении истории вселенной.

В нашей галактике Млечный Путь молекулярные облака, способствующие формированию звезд, имеют вытянутую «нитевидную» структуру шириной около 0,3 светового года.

Астрономы считают, что наша Солнечная система была сформирована таким же образом, когда крупное нитевидное молекулярное облако разрушилось, образовав звездное яйцо, также называемое ядром молекулярного облака.

На протяжении сотен тысяч лет гравитация притягивала газы и материю в ядра, чтобы создать звезду.

«Понимание формирования звезд развивается до сих пор, изучение процесса формирования звезд в ранней вселенной еще более сложное», — объясняет постдокторант Казуки Токуда из Факультета наук Университета Кюсю и первый автор исследования.

«Ранняя вселенная была совсем другой, чем сегодня, в основном населенной водородом и гелием. Тяжелые элементы образовались позже в массивных звездах. Мы не можем вернуться во времени, чтобы изучить формирование звезд в ранней вселенной, но можем наблюдать части вселенной с условиями, похожими на ранние».

Команда сосредоточила свое внимание на Малом Магеллановом Облаке (ММО), карликовой галактике у Млечного Пути на расстоянии около 20 000 световых лет от Земли.

ММО содержит только около одной пятой тяжелых элементов по сравнению с Млечным Путем, что делает его очень близким к космической среде ранней вселенной около 10 миллиардов лет назад.

Однако пространственное разрешение для наблюдения молекулярных облаков в ММО часто было недостаточным, и было неясно, можно ли вообще наблюдать эту нитевидную структуру.

К счастью, радио-телескоп ALMA в Чили был достаточно мощным, чтобы запечатлеть изображения ММО с более высоким разрешением и определить наличие или отсутствие нитевидных молекулярных облаков.

«Всего мы собрали и проанализировали данные 17 молекулярных облаков. В каждом из этих молекулярных облаков росли молодые звезды, в 20 раз массивнее нашего Солнца», — продолжает Токуда.

«Мы обнаружили, что около 60% молекулярных облаков, которые мы наблюдали, имели нитевидную структуру шириной около 0,3 светового года, но оставшиеся 40% имели "пушистую" форму. Более того, температура внутри нитевидных молекулярных облаков была выше, чем в пушистых».

Различие в температуре между нитевидными и пушистыми облаками, вероятно, объясняется тем, как давно сформировалось облако.

Изначально все облака были нитевидными с высокими температурами из-за столкновения облаков друг с другом.

Когда температура высока, турбулентность в молекулярном облаке слаба.

Но по мере снижения температуры облака кинетическая энергия входящего газа вызывает больше турбулентности и сглаживает нитевидную структуру, превращаясь в пушистое облако.

Если молекулярное облако сохраняет свою нитевидную форму, оно с большей вероятностью разобьется вдоль своей длинной «нити» и сформирует много звезд, подобных нашему Солнцу, звезде низкой массы с планетными системами.

С другой стороны, если нитевидная структура не может сохраняться, возникновение таких звезд может быть затруднено.

«Это исследование указывает на то, что такие факторы, как достаточное количество тяжелых элементов, важны для поддержания нитевидной структуры и могут играть значительную роль в формировании планетных систем», — делает вывод Токуда. «В будущем будет важно сравнить наши результаты с наблюдениями молекулярных облаков в средах, богатых тяжелыми элементами, включая галактику Млечный Путь. Такие исследования должны дать новые понимания о формировании и временной эволюции молекулярных облаков и вселенной».

Дополнительная информация

• Почему молекулярные облака называются "звездными колыбелями"? - Молекулярные облака называют "звездными колыбелями", потому что они содержат плотные области газа и пыли, из которых формируются новые звезды. Эти облака обеспечивают необходимую среду для гравитационного коллапса, который ведет к образованию звездных объектов.
• Как Малое Магелланово Облако помогает изучать условия ранней вселенной? - Малое Магелланово Облако, как карликовая галактика с низким содержанием элементов тяжелее гелия, позволяет ученым изучать процессы звездообразования и химическую эволюцию, подобные тем, что происходили в ранней вселенной.
• Какие задачи решает радио-телескоп ALMA в астрономических исследованиях? - Радио-телескоп ALMA позволяет вести высокочувствительные наблюдения радиоволн из космоса. Он играет ключевую роль в изучении процесса звездообразования, структуры галактик и свойств межзвездного вещества.
• Как температура влияет на формирование нитевидной структуры молекулярного облака? - Более низкие температуры в молекулярных облаках способствуют формированию длинных и плотных нитевидных структур, так как в таких условиях движение молекул замедляется и позволяет гравитационным силам эффективнее сжимать газ.
• Как ученые могут использовать наблюдения для исследования условий ранней вселенной без временной машины? - Ученые используют наблюдения отдалённых галактик и объектов, которые находятся очень далеко. Свет от этих объектов долго путешествует до Земли, позволяя учёным видеть их такими, какими они были в прошлом, фактически открывая окно в историю вселенной.
• Как обнаружение нитевидных структур в ММО влияет на наше понимание формирования звезд? - Обнаружение нитевидных структур в молекулярных облаках улучшает наше понимание звездообразования, так как эти структуры, вероятно, играют важную роль в процессе аккреции материи и инициировании гравитационного коллапса, который ведет к рождению звезд.

Полная версия:: In ancient stellar nurseries, some stars are born of fluffy clouds

Эта метафорическая кошка одновременно мертва и жива — и она поможет квантовым инженерам обнаруживать ошибки вычислений.

Инженеры из UNSW продемонстрировали известный квантовый мысленный эксперимент в реальном мире. Их выводы предлагают новый и более надежный способ выполнения квантовых вычислений — и они имеют важные последствия для коррекции ошибок, одной из крупнейших преград на пути к созданию работающего квантового компьютера.

Квантовая механика озадачивает ученых и философов уже более века. Один из самых известных квантовых мысленных экспериментов — это «Кот Шредингера» — кошка, жизнь или смерть которой зависят от распада радиоактивного атома.

Согласно квантовой механике, если атом не наблюдается напрямую, он должен считаться находящимся в суперпозиции — то есть одновременно в нескольких состояниях — распавшемся и нераспавшемся. Это приводит к тревожному выводу, что кошка находится в суперпозиции живой и мертвой.

«Никто никогда не видел настоящую кошку, которая одновременно мертва и жива, но люди используют метафору кота Шредингера, чтобы описать суперпозицию квантовых состояний, которые существенно различаются», — говорит профессор UNSW Андреа Морелло, руководитель команды, проведшей исследование, опубликованное недавно в журнале Nature Physics.

Атомная кошка

Для этой научной статьи команда проф. Морелло использовала атом сурьмы, который намного более сложен, чем стандартные «кубиты» или квантовые строительные блоки.

«В нашей работе 'кот' — это атом сурьмы», — говорит Си Ю, ведущий автор статьи.

«Сурьма — это тяжелый атом, который обладает большим ядерным спином, то есть большим магнитным диполем. Спин сурьмы может принимать восемь различных направлений, а не только два. Это может показаться незначительным, но на самом деле это полностью изменяет поведение системы. Суперпозиция спина сурьмы, указывающего в противоположные направления, это не просто суперпозиция 'вверх' и 'вниз', потому что существует множество квантовых состояний, разделяющих две ветви суперпозиции».

Это имеет глубокие последствия для ученых, работающих над созданием квантового компьютера, использующего ядерный спин атома в качестве основного строительного блока.

«Как правило, люди используют квантовый бит, или 'кубит' — объект, описываемый только двумя квантовыми состояниями — как базисную единицу квантовой информации», — говорит соавтор Бенджамин Вильгельм.

«Если кубит — это спин, то 'спин вниз' можно назвать состоянием '0', а 'спин вверх' состоянием '1'. Но если направление спина внезапно изменится, у нас возникает логическая ошибка: 0 превращается в 1 или наоборот, всего за одно мгновение. Это причина, по которой квантовая информация так хрупка».

Но в атоме сурьмы, у которого восемь различных направлений спина, если '0' закодировать как 'мертвую кошку', а '1' как 'живую кошку', одной ошибки будет недостаточно, чтобы исказить квантовый код.

«Как гласит пословица, у кошки девять жизней. Одной царапины недостаточно, чтобы ее убить. Нашей метафорической 'кошке' предоставлено семь жизней: потребуется семь последовательных ошибок, чтобы превратить '0' в '1'! В этом смысле суперпозиция спиновых состояний сурьмы в противоположных направлениях является 'макроскопической' — потому что это происходит в более крупном масштабе и реализует 'кошку Шредингера'», — объясняет Ю.

Масштабируемая технология

Сурьмяная кошка встроена в кремниевый квантовый чип, похожий на те, которые находятся в наших компьютерах и мобильных телефонах, но адаптированный для обеспечения доступа к квантовому состоянию одного атома. Чип был изготовлен доктором Даниэль Холмс из UNSW, а атом сурьмы был внедрен в чип коллегами из Университета Мельбурна.

«Размещая атомную 'кошку Шредингера' в кремниевом чипе, мы получаем исключительный контроль над ее квантовым состоянием — или, если хотите, над ее жизнью и смертью», — говорит д-р Холмс.

«Кроме того, размещение 'кошки' в кремнии означает, что в долгосрочной перспективе эту технологию можно масштабировать, используя аналогичные методы, которые мы уже применяем для создания компьютерных чипов, которые у нас сегодня есть».

Значение этого прорыва в том, что он открывает дверь к новому способу выполнения квантовых вычислений. Информация по-прежнему кодируется в двоичном коде, '0' или '1', но есть больше 'места для ошибки' между логическими кодами.

«Одиночная или даже несколько ошибок не сразу искажают информацию», — говорит проф. Морелло.

«Если возникает ошибка, мы обнаруживаем ее сразу и можем ее исправить, прежде чем накопятся другие ошибки. Продолжая метафору 'кошки Шредингера', это как если бы мы увидели нашего кота, возвращающегося домой с большой царапиной на лице. Он далеко не мертв, но мы знаем, что он подрался; мы можем пойти и выяснить, кто вызвал драку, прежде чем это случится снова и наш кот получит дополнительные травмы».

Демонстрация обнаружения и исправления квантовых ошибок — «Святой Грааль» в квантовых вычислениях — это следующий этап, который команда намерена реализовать.

Работа стала результатом широкой международной кооперации. Несколько авторов из UNSW Sydney, а также коллеги из Университета Мельбурна изготовили и эксплуатировали квантовые устройства. Теоретические сотрудники из США, из Национальных лабораторий Сандия и NASA Ames, и Канады, из Университета Калгари, представили ценные идеи о том, как создать 'кошку' и как оценить ее сложное квантовое состояние.

«Эта работа — прекрасный пример открытого международного сотрудничества между ведущими мировыми командами с дополнительной экспертизой», — говорит проф. Морелло.

Дополнительная информация

• Что представляет собой атом сурьмы и почему он подходит для этого эксперимента? - Атом сурьмы интересен для квантовых экспериментов из-за своих электронных свойств, которые позволяют ему взаимодействовать с другими квантовыми объектами, такими как спины.
• Почему квантовая информация считается хрупкой и как это связано с необходимостью коррекции ошибок? - Квантовая информация хрупка из-за влияния внешних факторов, называемого квантовой декогеренцией, что требует коррекции ошибок для обеспечения стабильности данных.
• Как происходит интеграция квантовых технологий в кремниевые чипы, применяемые в современных компьютерах? - Квантовые технологи интегрируются в кремниевые чипы с использованием существующих полупроводниковых технологий, позволяя создать более мощные квантовые процессы.
• Что собой представляет мысленный эксперимент «Кот Шредингера» и как он используется в квантовой механике? - Это эксперимент, иллюстрирующий принцип суперпозиции, показывая, как частица может находиться в нескольких состояниях одновременно, пока не будет измерена.
• Что такое суперпозиция в контексте квантовой механики и почему она важна для квантовых вычислений? - Суперпозиция позволяет квантовым компьютерам выполнять множество вычислений одновременно, значительно улучшая их производительность по сравнению с классическими компьютерами.
• Какова роль международного сотрудничества в развитии квантовых вычислительных технологий? - Международное сотрудничество ускоряет прогресс за счёт объединения ресурсов и знаний разных стран.
• Как обсуждаемый прорыв может повлиять на будущее квантовых вычислений? - Прорыв может улучшить стабильность и производительность квантовых компьютеров, делая их более применимыми в реальной жизни.
• Какая роль спина в квантовых системах и как он используется для кодирования информации? - Спин является квантовой характеристикой частиц, используемой для кодирования битов информации в квантовых системах.
• Как новая методика обнаружения ошибок может изменить подход к квантовым вычислениям? - Новые методики позволят более эффективно обнаруживать и исправлять ошибки, что является важным шагом к созданию устойчивых квантовых систем.

Полная версия:: This metaphorical cat is both dead and alive -- and it will help quantum engineers detect computing errors

Искусственный интеллект раскрывает эмоциональный язык животных.

Может ли искусственный интеллект помочь нам понять, что чувствуют животные? Новое исследование предполагает, что ответ положительный. Исследователи из Биологического факультета Копенгагенского университета успешно обучили модель машинного обучения различать положительные и отрицательные эмоции у семи разных видов копытных, включая коров, свиней и диких кабанов. Анализируя акустические шаблоны их вокализаций, модель достигла впечатляющей точности в 89,49%, что стало первым межвидовым исследованием эмоциональной валентности с использованием ИИ.

"Этот прорыв предоставляет убедительные доказательства того, что ИИ может расшифровывать эмоции у многих видов на основе вокальных шаблонов. Это может революционизировать уход за животными, управление скотами и их охрану, позволяя нам в реальном времени контролировать эмоции животных", — говорит Эло́ди Ф. Брифе́р, доцент Биологического факультета и последний автор исследования.

ИИ в роли универсального переводчика эмоций животных

Анализируя тысячи вокализаций копытных в различных эмоциональных состояниях, исследователи определили ключевые акустические показатели эмоциональной валентности.

Наиболее важными предикторами, указывающими на положительную или отрицательную эмоцию, были изменения в длительности, распределении энергии, основной частоте и модуляции амплитуды.

Примечательно, что эти паттерны были несколько схожими у разных видов, что предполагает эволюционное сохранение основных вокальных выражений эмоций.

Переломный момент для благополучия и охраны животных

Результаты исследования имеют далеко идущие последствия. Модель классификации, основанная на ИИ, может быть использована для разработки автоматизированных инструментов для мониторинга эмоций животных в реальном времени, что изменит подход к управлению скотом, ветеринарному уходу и охране природы.

Эло́ди Ф. Брифе́р объясняет:

"Понимание того, как животные выражают эмоции, может помочь нам улучшить их благополучие. Если мы можем выявить стресс или дискомфорт на ранней стадии, мы можем вмешаться до их обострения. Не менее важно, мы также могли бы способствовать положительным эмоциям. Это было бы переломным моментом для благополучия животных."

Ключевые научные результаты

Высокая точность -- Модель ИИ классифицировала эмоциональную валентность с общей точностью 89,49%, демонстрируя свою высокую способность различать положительные и отрицательные состояния.

Универсальные акустические паттерны -- Ключевые предикторы эмоциональной валентности были последовательны у различных видов, указывая на эволюционно сохраненную систему выражения эмоций.

Новые перспективы общения на эмоциональном уровне -- Это исследование предлагает новые взгляды на эволюционные истоки человеческого языка и может изменить наше понимание эмоций животных.

Следующие шаги: расширение исследований и открытие данных

Чтобы поддержать дальнейшие исследования, ученые опубликовали свою базу данных с маркированными эмоциональными сигналами от семи видов копытных в открытом доступе.

"Мы хотим, чтобы это стало ресурсом для других ученых. Открывая доступ к данным, мы надеемся ускорить исследования того, как ИИ может помочь нам лучше понимать животных и улучшать их благополучие", — заключает Брифе́р.

Это исследование приближает нас на шаг к будущему, где технологии позволят нам понимать и реагировать на эмоции животных, предлагая захватывающие новые возможности для науки, благополучия животных и их охраны.

Дополнительная информация

• Как ИИ обучают различать эмоциональные состояния у животных? - ИИ обучают этому, анализируя большие объемы данных, включая звуковые и поведенческие паттерны, чтобы распознавать, какие признаки связаны с определенными эмоциями.
• Какие виды акустических паттернов свидетельствуют о положительных или отрицательных эмоциях у животных? - Положительные эмоции могут быть связаны с мягкими и частыми вокализациями, в то время как резкие и громкие звуки могут указывать на стресс или негативные эмоции.
• Как эта техника может быть применена в реальных условиях управления стадом? - С помощью анализа звуковых паттернов и других данных, фермеры могут улучшать благополучие животных, своевременно выявляя стресс и недовольство в стаде, что позволяет принимать меры по улучшению условий содержания.
• Какие преимущества ИИ может предоставить для охраны диких животных? - ИИ может улучшить мониторинг популяций, помогая обнаруживать браконьерство и отслеживая изменения в поведении животных для предотвращения конфликтов между животными и людьми.
• Какие возможные риски связаны с использованием ИИ для мониторинга эмоций животных? - Возможные риски включают интерпретацию данных с ошибками, что может привести к неверным выводам и действиям, а также проблемы с конфиденциальностью и безопасностью данных.

Полная версия:: AI unlocks the emotional language of animals

Революция в динамическом мэппинге проекций на лицо: прыжок вперед в дополненной реальности.

Дополненная реальность (AR) стала горячей темой в индустриях развлечений, моды и макияжа. Хотя в этих областях существуют различные технологии, динамический мэппинг проекций на лицо (DFPM) является одним из самых сложных и визуально впечатляющих. Коротко говоря, DFPM состоит в проецировании динамических визуалов на лицо человека в реальном времени с использованием передовых технологий отслеживания лицевых черт, чтобы проекции плавно адаптировались к движениям и выражениям.

Хотя воображение должно быть единственным ограничением возможностей DFPM в AR, этот подход сдерживается техническими трудностями.

Проецирование изображений на движущееся лицо подразумевает, что система DFPM способна обнаруживать черты лица пользователя, такие как глаза, нос и рот, за менее чем миллисекунду.

Даже небольшие задержки в обработке или мизерные несоответствия между координатами изображения камеры и проектора могут привести к ошибкам проекции — или "артефактам несоответствия", которые зрители могут заметить, уничтожая погружение.

На фоне этого команда исследователей из Института наук Токио, Япония, поставила цель найти решения существующих проблем в DFPM.

Возглавляемая ассоциированным профессором Йошихиро Ватанабе, включая студента-аспиранта господина Хао-Лун Пэнга, команда представила серию инновационных стратегий и техник и объединила их в высокоскоростную систему DFPM последнего поколения.

Их результаты были опубликованы в IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 17 января 2025 года.

Сначала исследователи разработали гибридную технику, называемую "методом высокоскоростного отслеживания лиц", которая сочетает два различных подхода для обнаружения черт лица в реальном времени.

С одной стороны, они использовали метод под названием Ensemble of Regression Trees (ERT) для быстрой регистрации.

Они также внедрили способ эффективно обрезать входящие изображения до лица пользователя, чтобы быстрее обнаружить черты; этого они добились, используя временную информацию из предыдущих кадров для ограничения "зоны поиска". Чтобы помочь регистрации на основе ERT восстанавливаться от ошибок или сложных ситуаций, они объединили ее с медленным вспомогательным методом, который обеспечивает высокую точность на более низкой скорости.

Используя эту изобретательную стратегию, исследователи достигли беспрецедентной скорости в DFPM.

"Интегрируя результаты высокоточной, но медленной регистрации и малоточной, но быстрой регистрации в параллели и компенсируя временные несоответствия, мы достигли высокой скорости выполнения всего за 0,107 миллисекунды, сохраняя высокую точность", подчеркивает Ватанабе.

Команда также решила насущную проблему: ограниченную доступность видеодатасетов лицевых движений для обучения моделей.

Они разработали инновационный метод имитации аннотаций видеоданных высокой частоты с использованием существующих датасетов статичных изображений лиц.

Это позволило их алгоритмам правильно изучать информацию о движении на высоких частотах кадров.

Наконец, исследователи предложили коаксиальную установку с проектором-камерой со смещением линз для минимизации артефактов выравнивания.

"Механизм смещения линз, встроенный в оптическую систему камеры, согласует ее с восходящей проекцией оптической системы проектора, что приводит к более точному выравниванию координат," объясняет Ватанабе.

Таким образом, команда достигла высокой оптической выравненности с ошибкой всего в 1,274 пикселя для пользователей на расстоянии от 1 м до 2 м глубиной.

В целом, различные методы, разработанные в этом исследовании, помогут продвинуть поле DFPM вперед, ведущие к более захватывающим и гиперреалистичным эффектам, которые преобразят представления, модные показы и художественные презентации.

Дополнительная информация

• Что такое динамический мэппинг проекций на лицо (DFPM)? - Это технология, которая динамически проецирует изображения на лицо, изменяя их в зависимости от движений и выражений лица, часто используемая в развлечениях и исследовательских целях.
• Как технология отслеживания черт лица применяется в других областях? - Она используется в безопасности для распознавания лиц, в здравоохранении для анализа эмоциональных реакций, а также в анимации и создании спецэффектов.
• В чем заключается метод Ensemble of Regression Trees (ERT) и где еще он может быть использован? - Это метод машинного обучения, использующий набор деревьев регрессии для предсказания сложных зависимостей. Он также применяется в задачах компьютерного зрения, таких как распознавание образов и отслеживание объектов.

Полная версия:: Revolutionizing dynamic facial projection mapping: A leap forward in augmented reality

Береговая эрозия угрожает древнему городу и многим другим.

Новое исследование Университета Южной Калифорнии (USC) выявило резкое увеличение количества обрушений зданий в древнем египетском портовом городе Александрия, непосредственно связанное с повышением уровня моря и проникновением морской воды.

Обрушения зданий в Александрии, одном из старейших городов мира, который часто называют «невестой Средиземноморья» за его красоту, были редким явлением. Однако за последнее десятилетие их частота возросла с одного случая в год до тревожных 40 раз в год, обнаружили исследователи.

«Истинная цена этих потерь выходит далеко за пределы кирпичей и раствора. Мы наблюдаем постепенное исчезновение исторических прибрежных городов, и Александрия подает сигнал тревоги. То, что когда-то казалось удаленными климатическими рисками, теперь стало реальностью», — сказал Эссам Хеджи, ученый по водным ресурсам из Школы инженерии Витерби Университета Южной Калифорнии и ведущий автор исследования.

«На протяжении многих веков структуры Александрии оставались шедеврами устойчивой инженерии, способными выдерживать землетрясения, штормовые нагоны, цунами и многое другое. Но теперь, из-за повышения уровня моря и учащения штормов, вызванных изменением климата, за десятилетия разрушается то, что создавало тысячелетие человеческого гения», — сказала Сара Фуад, ландшафтный архитектор из Технического университета Мюнхена (TUM) и первый автор исследования.

Береговая эрозия: тонущие города и поднимающиеся моря

Даже небольшое повышение уровня моря — всего на несколько сантиметров — может иметь разрушительные последствия, сказал Хеджи, угрожая даже таким исторически устойчивым городам, как Александрия, пережившим века землетрясений, вторжений и пожаров, и даже современным мегаполисам, таким как Лос-Анджелес, где внезапные наводнения и оползни сейчас усложняют восстановление после недавних лесных пожаров.

Исследование, опубликованное в журнале Earth's Future Американского геофизического союза, совпадает с тревожными данными NASA и NOAA, показывающими, что части Калифорнии — включая район залива Сан-Франциско, Центральная долина и прибрежная Южная Калифорния — опускаются.

Эти небольшие изменения высоты могут значительно повысить риски наводнений и проникновения соленой воды, предупреждают ученые.

Как и Александрия, прибрежные города Калифорнии сталкиваются с нарастающими угрозами проникновения соленой воды, что ослабляет инфраструктуру, ухудшает водоснабжение и увеличивает стоимость жизни.

«Наше исследование бросает вызов распространенному заблуждению о том, что нам потребуется беспокоиться только тогда, когда уровень моря повысится на метр», — сказал Хеджи.

«Тем не менее, мы показываем, что береговые линии по всему миру, особенно средиземноморские линии, подобные калифорнийским, уже меняются и вызывают обрушения зданий с беспрецедентной скоростью».

Отслеживание береговой эрозии в Александрии, Египет

Исследователи использовали трехэтапный подход для оценки влияния изменений линии берега на здания Александрии.

Сначала они создали детализированную цифровую карту, используя геоинформационные системы, чтобы определить местоположение обрушившихся зданий в шести районах исторической городской зоны, одной из самых густонаселенных областей города.

Карта содержит ключевую информацию о каждом здании, включая его местоположение, размер, строительные материалы, возраст, глубину фундамента и количество этажей.

Данные, собранные в ходе выездных проверок, правительственных отчетов, новостных архивов и заявлений частных строительных компаний, охватывают период с 2001 по 2021 год и включают как полностью, так и частично обрушившиеся здания.

Затем они совместили спутниковые снимки с историческими картами 1887, 1959 и 2001 годов, чтобы отследить движение береговой линии и лучше понять, как части 50-мильного побережья Александрии переместились на десятки метров вглубь за последние два десятилетия.

Рассчитывая скорость отступления береговой линии за последний век, исследователи изучили, как сокращающаяся береговая линия повышает уровень грунтовых вод, контактируя с фундаментами прибрежных зданий.

Наконец, команда проанализировала химические «отпечатки пальцев», известные как изотопы, в образцах почвы, чтобы изучить эффекты проникновения морской воды.

Они измеряли определенные изотопы, такие как B7, в каждом образце, чтобы оценить механические свойства почвы.

Высокие уровни B7 указывают на более крепкую и устойчивую почву, в то время как низкие уровни свидетельствуют об эрозии.

«Наш анализ изотопов показал, что здания обрушаются снизу вверх, так как проникновение морской воды разрушает фундаменты и ослабляет почву. Дело не в самих зданиях, а в земле под ними, которая подвергается воздействию», — сказал Ибрагим Х. Салех, специалист по радиации почвы из Александрийского университета и один из соавторов исследования.

Развитие водных путей помогает городу справляться с климатическими экстремумами и соединяет людей с хорошо благоустроенными городскими пространствами, связывая внутренние районы города с побережьем.

Стратегия для будущей устойчивости побережья Александрии включает в себя поддержание, улучшение и восстановление зеленого пояса вдоль береговой линии.

(Иллюстрации/Предоставлены Эссамом Хеджи и Сарой Эльсейед)

«Наше исследование показывает, что обрушение прибрежных зданий может происходить даже без непосредственного контакта с морской водой, как принято считать», — добавил Хеджи.

Природное решение для защиты прибрежных городов

Для борьбы с эрозией побережья и проникновением морской воды исследователи предлагают природное решение: создание песчаных дюн и барьеров из растительности вдоль побережья для блокирования наступающей морской воды и тем самым предотвращения подъема уровня грунтовых вод до уровня фундаментов зданий

Дополнительная информация

• Какие факторы способствуют повышению уровня моря? - Повышение уровня моря главным образом обусловлено таянием ледников и расширением морской воды в результате глобального потепления.
• Как изменение линии берега может повлиять на инфраструктуру городов? - Изменение береговой линии может приводить к разрушению прибрежных сооружений, затоплению территорий и увеличению затрат на поддержание инфраструктуры.
• Какие природные решения помогают справляться с эрозией побережья? - Используются природные решения, такие как восстановление мангровых лесов и высадка защищающих берег растений.
• Какие современные технологии используются для отслеживания изменения уровня моря? - Для измерения уровня моря используются спутниковые данные и системы GPS.
• Каковы последствия повышения уровня грунтовых вод для городов? - Повышение уровня грунтовых вод может привести к затоплению подвалов, повреждению инфраструктуры и ухудшению качества воды.
• Какое влияние делает изменение климата на частоту штормов? - Изменение климата может увеличивать частоту и силу штормов из-за повышения температуры океана и изменения атмосферных условий.
• Как геоинформационные системы помогают в мониторинге береговой эрозии? - ГИС позволяют отслеживать изменение различных геофизических параметров береговой линии, что помогает в планировании и предотвращении ущерба.

Полная версия:: Coastal erosion threatens ancient city, and many others

Новый сенсор может анализировать любой газ и выявлять его состав.

Эксперты-сомелье могут вдохнуть аромат бокала вина и рассказать много о том, что содержится в вашем пино нуар или каберне совиньон.

Группа физиков из Университета Колорадо в Боулдере (CU Boulder) и Национального института стандартов и технологий (NIST) достигла подобного успеха в области сенсорики, только для гораздо более широкого спектра веществ.

Группа разработала новое устройство на основе лазеров, которое может взять образец любого газа и идентифицировать огромное количество молекул, содержащихся в нем. Оно достаточно чувствительно, чтобы обнаруживать эти молекулы в малых концентрациях, вплоть до долей на триллион. Его конструкция также достаточно проста, чтобы исследователи могли быстро и с низкими затратами использовать метод в различных областях, от диагностики заболеваний у пациентов до отслеживания выбросов парниковых газов с заводов.

Исследование было проведено учеными JILA, совместного исследовательского института между CU Boulder и NIST. Команда опубликует свои выводы 19 февраля в журнале Nature.

"Даже сегодня мне все еще кажется невероятным, что самое мощное сенсорное устройство может быть построено с такой простотой, используя только зрелые технические компоненты, но объединенные с помощью умного вычислительного алгоритма," сказал Цзычжун Лян, ведущий автор исследования и аспирант в JILA.

Чтобы показать способности инструмента, Лян и его коллеги обратились к важному вопросу в медицине: что содержится в воздухе, который вы выдыхаете?

Команда анализировала выдыхаемый воздух реальных испытуемых и показала, что они могут, например, идентифицировать типы бактерий, живущих в ротовой полости людей. Методика в будущем может помочь врачам диагностировать рак легких, диабет, хроническую обструктивную болезнь легких (ХОБЛ) и многое другое.

Физик Цзюнь Е, старший автор исследования, сказал, что новая работа основывается на почти трех десятилетиях исследований в области квантовой физики в CU Boulder и NIST, особенно в области специализированного устройства, известного как лазер частотной гребенки.

"Лазер частотной гребенки изначально был изобретен для оптических атомных часов, но мы очень рано определили его мощное применение для молекулярного обнаружения," сказал Е, член JILA и NIST и прикрепленный профессор физики в CU Boulder. "Тем не менее, нам потребовалось 20 лет, чтобы развить эту технику, наконец позволив универсальную применимость для молекулярного обнаружения."

Трясущаяся полость

Чтобы понять, как работает технология команды, стоит осознать, что все газы, от чистого углекислого газа до вашего зловонного дыхания после употребления чеснока, несут своего рода отпечаток.

Если исследовать эти газы лазером, охватывающим несколько "оптических частот" или цветов, молекулы в образцах газа будут поглощать этот свет на разных частотах. Это почти как если бы грабитель оставлял за собой отпечаток на месте преступления. В предыдущем исследовании, например, Лян и его коллеги использовали этот принцип обнаружения поглощения лазера для скрининга образцов человеческого дыхания на признаки инфекций SARS-CoV-2.

Частотные гребенки подходят для этой техники, потому что, в отличие от традиционных лазеров, они испускают импульсы света в тысячах до миллионов цветов одновременно. (Ян Холл из JILA разработал эти лазеры, получив Нобелевскую премию по физике за свою работу в 2005 году).

Но чтобы обнаружить молекулы в низких концентрациях, эти лазеры также должны пройти через газовый образец на расстояниях в мили или более, чтобы молекулы могли поглотить достаточно света.

Для практического применения ученые должны реализовать это расстояние в контейнерах для газов, измеряемых в пределах фута.

"Мы заключаем газовый образец с парой зеркал высокой отражательности, формируя 'оптическую полость'," сказал Лян. "Свет частотной гребенки теперь может отражаться между этими зеркалами несколько тысяч раз, чтобы эффективно увеличить длину его пути поглощения молекулами."

Или это цель. На практике оптические полости сложно использовать и они выбрасывают лазерные лучи, если они неправильно настроены на резонансные режимы полости. В результате ранее ученые могли использовать только узкий диапазон света гребенки и обнаруживать узкий диапазон молекул в одном тесте.

В новом исследовании Лян и его коллеги преодолели эту давнюю проблему. Они представили новую технику, названную модулированной интерферометрией кольцевой затухания гребенки, или MRCI (произносится как "мерси"). Вместо того чтобы держать оптическую полость устойчивой, команда периодически изменяла ее размер. Это встряхивание, в свою очередь, позволяло полости принимать гораздо более широкий спектр света. Затем команда расшифровывала сложные паттерны интенсивности лазера, выходящие из полости, с помощью вычислительных алгоритмов, чтобы определить химическое содержание образцов.

"Мы теперь можем использовать зеркала с еще большей отражательностью и направлять свет гребенки с еще более широким спектральным покрытием," сказал Лян. "Но это только начало. С использованием MRCI можно установить еще более высокую сенсорную производительность."

Сенсор для дыхания

Команда теперь применяет свое новое устройство для анализа человеческого дыхания.

"Выдыхаемый воздух является одним из самых сложных газовых образцов для измерения, но характеристика его молекулярного состава крайне важна для его мощного потенциала в медицинской диагностике," сказал Апурва Бишт, соавтор исследования и аспирант в лаборатории Е.

Бишт, Лян и Е теперь сотрудничают с исследователями из медицинского кампуса CU Anschutz и детской больницы штата Колорадо, чтобы использовать MRCI для анализа различных образцов дыхания. Они исследуют, может ли MRCI различать образцы, взятые у детей с пневмонией, от образцов, взятых у детей с астмой. Группа также анализирует дыхание пациентов с раком легких до и после операции по удалению опухоли и исследует, может ли эта технология диагностировать людей на ранних стадиях хронической обструктивной

Дополнительная информация

• Что такое частотная гребенка и как она работает? - Частотная гребенка – это набор регулярных частотных линий, создаваемый посредством ультракоротких лазерных импульсов, которые имеют одинаковый временной интервал.
• Каким образом технология лазерной частотной гребенки изначально применялась для оптических атомных часов? - Частотная гребенка используется в оптических атомных часах для точного измерения частоты, обеспечивая связь между различными спектральными диапазонами.
• Какие еще существуют методы анализа газов, используемые в медицине? - К методам анализа газов в медицине относятся масс-спектрометрия, лазерная спектроскопия и газовая хроматография.
• Как определение типов бактерий в ротовой полости может помочь в медицинской диагностике? - Анализ бактерий помогает в диагностике заболеваний, таких как периодонтит и связан с общим состоянием иммунной системы.
• Какие преимущества интерферометрии кольцевой затухания гребенки (MRCI) перед традиционными методами анализа? - MRCI обеспечивает более высокую точность и чувствительность в анализе, чем традиционные методы, такие как спектроскопия.
• Какие медицинские условия можно диагностировать с помощью анализа выдыхаемого воздуха? - Анализ выдыхаемого воздуха помогает диагностировать астму, диабет и метаболические расстройства.
• Почему важно обнаружение молекул в малых концентрациях? - Обнаружение молекул в низких концентрациях имеет критическое значение для ранней диагностики заболеваний и мониторинга загрязнения окружающей среды.

Полная версия:: New sensor can take any gas and tell you what's in it

Этот квазар мог способствовать возникновению света во Вселенной.

Команда астрономов под руководством Йельского университета обнаружила квазар с интенсивно изменяющейся яркостью, который может помочь объяснить, как некоторые объекты в ранней Вселенной росли с чрезвычайно ускоренной скоростью.

Об открытии, объявленном 14 января на зимнем заседании Американского астрономического общества, стал самым удалённым объектом, обнаруженным с помощью рентгеновского космического телескопа NuSTAR (запущен в 2012 году), и является одним из наиболее изменчивых квазаров, когда-либо идентифицированных.

"В этой работе мы обнаружили, что этот квазар, скорее всего, является сверхмассивной черной дырой с джетом, направленным к Земле, и мы видим его в первый миллиард лет существования Вселенной", - сказала Леа Маркотулли, научный сотрудник кафедры астрофизики в Йельском университете и ведущий автор нового исследования, опубликованного 14 января в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Квазары являются одними из самых древних и ярких объектов во Вселенной. Сформированные из активных галактических ядер (AGN) — областей в центре галактик, где черная дыра поглощает материю, — квазары излучают электромагнитное излучение, которое можно обнаружить в радио-, инфракрасных, видимых, ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучевых диапазонах длин волн. Эта "видимость" сделала квазары полезными прокси для изучения структуры и эволюции космоса.

Например, астрономы обращаются к квазарам для изучения реионизации, периода менее чем через миллиард лет после Большого взрыва, когда электрически нейтральные атомы водорода стали заряженными, и первое поколение звезд осветило Вселенную.

"Эпоха реионизации считается концом темных веков Вселенной", - сказал Томас Коннор, астроном из Центра рентгеновских исследований Chandra и соавтор исследования. "Точная временная шкала и класс источников, ответственный за реионизацию, до сих пор обсуждаются, и активно аккрецирующие сверхмассивные черные дыры являются одним из предложенных виновников."

В исследовании исследователи сравнили наблюдения NuSTAR далёкого квазара — обозначенного как J1429+5447 — с несвязанными наблюдениями четыремесяцам ранее, сделанными рентгеновским телескопом Chandra. Исследователи обнаружили, что рентгеновское излучение квазара удвоилось за этот очень короткий срок (из-за релятивистских эффектов четыре месяца на Земле соответствовали всего двум неделям для квазара).

"Этот уровень изменчивости в рентгеновском диапазоне как по интенсивности, так и по быстроте является экстремальным", - сказала Мег Урри, профессор физики и астрономии факультета искусств и наук Йельского университета и соавтор исследования. "Он почти наверняка объясняется джетом, направленным в нашу сторону, — конусом, в котором частицы переносятся на расстояние до миллиона световых лет от центральной сверхмассивной черной дыры. Поскольку джет движется с почти световой скоростью, эффекты теории относительности Эйнштейна ускоряют и усиливают изменчивость."

Исследователи отметили, что их результаты предоставляют важную и необходимую информацию для астрономов, изучающих реионизацию. Это также может указать астрономам на других кандидатов в сверхмассивные черные дыры из ранней Вселенной.

"Обнаружение большего количества сверхмассивных черных дыр, которые потенциально имеют джеты, поднимает вопрос о том, как эти черные дыры стали настолько большими за столь короткое время и какова может быть связь с механизмами запуска джетов", - сказала Маркотулли.

Исследование было поддержано НАСА.

Дополнительная информация

• Что такое процесс реионизации и почему он считается концом "темных веков" Вселенной? - Процесс реионизации представляет собой период в истории Вселенной, когда первые звезды и галактики начали излучать свет и ионизировать окружающий водород. Это событие считается концом "темных веков", так как с этого времени Вселенная стала прозрачной для ультрафиолетового излучения.
• Как джеты, испускаемые сверхмассивными черными дырами, могут влиять на их рост и эволюцию галактик? - Джеты могут выдувать газ из галактик, что ограничивает скорость формирования новых звезд, одновременно играя роль в нагреве газа и стимулировании активности в галактических ядрах.
• Какие особенности делают рентгеновский телескоп NuSTAR подходящим для изучения далеких квазаров? - NuSTAR может наблюдать высокоэнергетические рентгеновские лучи, которые проникают сквозь облака газа и пыли, что делает его незаменимым инструментом для изучения энергетических процессов в квазарах.
• Как релятивистские эффекты Эйнштейна влияют на наблюдения за объектами, движущимися с околосветовой скоростью? - Релятивистские эффекты, такие как замедление времени и увеличение массы, могут искажать наши наблюдения, делая объекты кажущимися более массивными и медленными в своем движении.
• Какие методы используются астрономами для выявления и изучения далеких объектов, таких как квазары, в ранней Вселенной? - Астрономы используют спектроскопию для анализа светового спектра объектов, что позволяет определить их состав, расстояние и скорость, а также метод гравитационного линзирования для исследования далеких объектов через искривление света.
• Почему период реионизации вызывает столько дискуссий среди ученых? - Период реионизации связан с недостатком данных о том, как именно происходила ионизация, какие источники света были доминирующими и как это влияло на эволюцию структуры Вселенной.

Полная версия:: This quasar may have helped turn the lights on for the universe

Ученые продвигают устойчивое будущее с катализатором для получения водорода из аммиака.

Ученые создали катализатор для генерации водорода из аммиака, который с течением времени становится более активным, и, отсчитывая атомы, выявили изменения, повышающие производительность катализатора.

Исследовательская группа из Школы химии Университета Ноттингема в сотрудничестве с Университетом Бирмингема и Университетом Кардиффа разработала новый материал, состоящий из наномасштабных кластеров рутения (Ru), закрепленных на графитизированном угле. Эти нанокластеры рутения реагируют с молекулами аммиака, катализируя расщепление аммиака на водород и азот — важный шаг на пути к производству зеленого водорода. Это новаторское исследование опубликовано в журнале Chemical Science, флагманском издании Королевского химического общества.

Аммиак благодаря своей высокой объемной энергетической плотности обещает стать энергоносителем с нулевым уровнем выбросов углерода, который может обеспечить устойчивую новую экономику в ближайшем будущем. Поиск быстрых и энергоэффективных методов расщепления аммиака на водород (H₂) и азот (N₂) по требованию является ключевым. В то время как дезактивация катализаторов является обычным явлением, катализатор, который становится более активным при использовании, встречается редко. Поэтому понимание механизмов на атомном уровне, стоящих за изменениями активности катализаторов, крайне важно для разработки нового поколения гетерогенных катализаторов.

Доктор Жезум Альвес Фернандес, доцент Школы химии Университета Ноттингема и со-руководитель исследовательской группы, объяснил: «Традиционные катализаторы состоят из наночастиц, большинство атомов которых недоступны для реакций. Наш подход начинается с индивидуальных атомов, которые самоорганизуются в кластеры заданного размера. Таким образом, мы можем остановить рост кластеров, когда их размеры достигают 2-3 нм², обеспечивая, чтобы большинство атомов оставались на поверхности и были доступны для химических реакций. В данной работе мы использовали этот подход для выращивания нанокластеров рутения из атомов непосредственно в углеродном носителе».

Исследователи использовали магнетронное распыление для создания потока атомов металла для строительства катализатора. Этот метод, не требующий растворителей и реагентов, позволяет создавать чистый, высокоактивный катализатор. Увеличивая площадь поверхности катализатора, этот метод обеспечивает наиболее эффективное использование редких элементов, таких как рутений (Ru).

Доктор Ифань Чен, научный сотрудник Школы химии Университета Ноттингема, сказал: «Мы были удивлены, обнаружив, что активность нанокластеров Ru на углероде фактически увеличивается со временем, что противоречит дезактивационным процессам, обычно происходящим для катализаторов во время их использования. Это захватывающее открытие невозможно было объяснить традиционными методами анализа, поэтому мы разработали микроскопический подход для подсчета атомов в каждом нанокластере катализатора на разных стадиях реакции с использованием сканирующей трансмиссионной электронной микроскопии. Мы выявили серию тонких, но значительных трансформаций на атомном уровне».

Исследователи обнаружили, что атомы рутения, первоначально неупорядоченные на углеродной поверхности, перераспределяются в усеченные нано-пирамиды со ступенчатыми краями. Эти нано-пирамиды демонстрируют замечательную стабильность на протяжении нескольких часов в ходе реакции при высоких температурах. Они постоянно изменяются, чтобы максимизировать плотность активных участков, тем самым усиливая производство водорода из аммиака. Такое поведение объясняет уникальные самосовершенствующиеся характеристики катализатора.

Профессор Андрей Хлобыстов из Школы химии Университета Ноттингема отметил: «Это открытие задает новое направление в разработке катализаторов, демонстрируя стабильную, самосовершенствующуюся систему для генерации водорода из аммиака как зеленого источника энергии. Мы ожидаем, что это прорывное достижение значительно внесет свой вклад в устойчивые энергетические технологии, поддерживая переход к будущему с нулевым уровнем выбросов углерода».

Это изобретение представляет собой значительное продвижение в понимании атомистических механизмов гетерогенного катализа для производства водорода. Оно прокладывает путь для разработки высокоактивных, стабильных катализаторов, которые используют редкие металлы устойчиво, путем точного контроля структур катализаторов на наноуровне.

Университет Ноттингема привержен поддержке экологически чистых и устойчивых технологий. В Восточном Мидлендсе недавно был запущен кластер Zero Carbon Cluster, направленный на ускорение развития и внедрения инноваций в зеленой промышленности и передовом производстве.

Эта работа финансируется программным грантом EPSRC 'Metal atoms on surfaces and interfaces (MASI) for sustainable future', который направлен на разработку материалов-катализаторов для преобразования трех ключевых молекул — углекислого газа, водорода и аммиака — чрезвычайно важных для экономики и окружающей среды. Катализаторы MASI создаются эффективным с точки зрения использования атомов способом, чтобы обеспечить устойчивое использование химических элементов без истощения запасов редких элементов и максимально использовать обилие земных элементов, таких как углерод и базовые металлы.

Дополнительная информация

• Что такое "магнетронное распыление" и как оно используется в создании катализаторов? - Магнетронное распыление — это метод нанесения тонких пленок, который используется для создания и модификации поверхности катализаторов с целью улучшения их свойств и эффективности.
• Почему устойчивые технологии катализаторов важны для экономики будущего? - Устойчивые технологии катализаторов помогают снизить потребление энергии и выбросы в окружающую среду, что способствует экономии ресурсов и способствует переходу к "зеленой" экономике.
• Как нанокластеры рутения повышают эффективность катализа? - Нанокластеры рутения имеют высокую поверхность контактирования, что увеличивает каталитическую активность за счет большего количества доступных активных центров.
• Какие свойства делают аммиак подходящим энергоносителем с нулевым уровнем выбросов углерода? - Аммиак можно сжигать без выбросов углерода, а также он может быть использован в качестве удобного средства для хранения и транспортировки водорода.
• Как исследования в области гетерогенного катализа могут способствовать устойчивому развитию? - Гетерогенный катализ позволяет более эффективно проводить химические процессы, включая переработку и использование возобновляемых источников энергии, что поддерживает устойчивое развитие.
• Как микроскопический подход к подсчету атомов улучшает понимание процессов на уровне наноструктур? - Этот подход позволяет точно изучить, какие именно атомы активны в каталитических процессах, что способствует созданию более эффективных катализаторов.
• В чем заключается атипичность катализатора, активность которого увеличивается во время использования? - Обычно катализаторы теряют активность со временем, но атипичность таких катализаторов в том, что они могут самовосстанавливаться или переходить в более активное состояние в процессе эксплуатации.

Полная версия:: Scientists fuel sustainable future with catalyst for hydrogen from ammonia

Биогибридные жесты рук с использованием человеческих мышц

Команда из Токийского университета и Университета Васэда в Японии создала биогибридную руку, которая может перемещать предметы и выполнять жест «ножницы». Исследователи использовали тонкие нити лабораторно выращенной мышечной ткани, уложенные в рулеты, подобные суши, чтобы обеспечить пальцам достаточную силу для сокращения. Эти многочисленные активаторы из мышечной ткани (MuMuTAs), созданные исследователями, представляют собой значительное развитие в направлении создания более крупных биогибридных конечностей. Хотя в настоящее время они ограничены лабораторной средой, MuMuTAs имеют потенциал для развития будущих биогибридных протезов, помощи в тестировании лекарств на мышечной ткани и расширения возможностей биогибридной робототехники для имитации реальных форм.

«Камень, ножницы, бумага» — классическая игра во дворе или быстрый способ принимать решения для нерешительных. Но выберите бумагу, и вы проиграете этой роботизированной руке, которая освоила искусство жеста «ножницы». И хотя это может показаться простым движением, в области биогибридов и протезов это является значительным шагом вперед в достижении новых уровней реализма и функциональности.

Рука состоит из 3D-печатной пластиковой основы с сухожилиями из человеческой мышечной ткани, которые движут пальцами. До настоящего времени биогибридные устройства обычно были небольшими (примерно 1 сантиметр в длину) и ограничивались более простыми или однопростенчатыми движениями. В отличие от этого, биогибридная рука имеет длину 18 см и многосуставные пальцы, которые могут двигаться индивидуально для выполнения жестов или в сочетании, чтобы манипулировать предметами.

«Нашим основным достижением стало развитие MuMuTAs. Это тонкие нити мышечной ткани, выращенные в культуре, которые затем сворачиваются в пучок, подобно суши, чтобы создать каждое сухожилие», — объяснил профессор Содзи Такеучи из Токийского университета. «Создание MuMuTAs позволило нам преодолеть нашу самую большую проблему — обеспечить достаточную сокращающую силу и длину мышц, чтобы привести в движение крупную структуру руки».

Толстую мышечную ткань, необходимую для движения крупных конечностей, сложно вырастить в лаборатории, так как она подвержена некрозу. Это происходит, когда недостаточно питательных веществ достигает центра мышцы, в результате чего происходит потеря ткани. Однако, используя множество тонких мышечных тканей, собранных вместе, чтобы действовать как одна большая мышца, команде удалось создать сухожилия с достаточной силой.

MuMuTAs стимулируются с помощью электрического тока, передаваемого через водонепроницаемые кабели. Чтобы протестировать способности руки, команда манипулировала пальцами, чтобы сформировать жест «ножницы», сокращая мизинец, безымянный палец и большой палец. Они также использовали пальцы, чтобы схватить и переместить кончик пипетки. Это продемонстрировало способность руки имитировать ряд действий, поскольку многосуставные пальцы могут сгибаться как по отдельности, так и одновременно, что является впечатляющим достижением.

Однако использование реальной мышечной ткани имеет и некоторые недостатки, как, вероятно, знает любой, кто ходил в спортзал. «Хотя это не стало полной неожиданностью, было интересно наблюдать за тем, что сокращающая сила тканей уменьшалась и проявляла признаки усталости после 10 минут электрической стимуляции, но восстанавливалась всего за один час отдыха. Наблюдение за такой реакцией восстановления, похожей на реакцию живых тканей, в инженерных мышечных тканях было замечательным и увлекательным результатом», — сказал Такеучи.

В настоящее время руку необходимо держать в жидкости, чтобы «якоря» или связи, соединяющие мышцы с рукой, могли плавать без трения, позволяя пальцам двигаться свободно. Тем не менее, команда считает, что с дальнейшей разработкой будет возможно создать свободно движущуюся руку.

Еще одной проблемой текущего дизайна является то, что пальцы не могут быть намеренно возвращены в их прямое исходное положение, а делают это, снова плавая на место. Добавление эластичного материала, который возвращал бы их на место, или больше MuMuTAs на задней стороне пальцев, которые сокращаются в противоположном направлении, позволит лучше контролировать движение пальцев.

«Основной целью биогибридной робототехники является имитация биологических систем, что требует масштабирования их размеров. Наша разработка MuMuTAs является важным этапом для достижения этой цели», — сказал Такеучи. «Область биогибридной робототехники все еще находится на начальной стадии, и необходимо преодолеть многие фундаментальные проблемы. Как только эти основные препятствия будут устранены, эта технология может быть использована в современных протезах и также может служить инструментом для понимания того, как функционируют мышечные ткани в биологических системах, для тестирования хирургических процедур или лекарств, направленных на мышечные ткани.»

Источник:: Biohybrid hand gestures with human muscles

Охлаждающие материалы — из 3D-принтера.

Быстрое и локализованное управление теплом является важным для электронных устройств и может иметь применение в таких областях, как носимые материалы и лечение ожогов. Хотя так называемые термоэлектрические материалы преобразуют температурные разности в электрическое напряжение и наоборот, их эффективность часто ограничена, а производство обходится дорого и приводит к значительным отходам. В новой статье, опубликованной в журнале Science, исследователи Института науки и технологий Австрии (ISTA) использовали технологию 3D-печати для создания высокоэффективных термоэлектрических материалов, значительно снизив затраты на их производство.

Термоэлектрические охладители, также называемые холодильниками на твердом теле, могут вызывать локализованное охлаждение, используя электрический ток для переноса тепла с одной стороны устройства на другую. Их долгий срок службы, защищенность от утечек, возможность подбора размеров и форм, а также отсутствие движущихся частей (таких как циркулирующие жидкости) делают эти устройства идеальными для различных приложений охлаждения, таких как электроника. Однако их производство из литейных заготовок связано с высокими затратами и приводит к значительным отходам материалов. Кроме того, эффективность работы устройств остается ограниченной.

Теперь команда из Института науки и технологий Австрии (ISTA), возглавляемая профессором энергетических наук Вербунда и руководителем лаборатории термоэлектрических технологий Вернера Симанса Марией Ибаньес, с первым автором и постдоком ISTA Шендуо Сю разработали высокоэффективные термоэлектрические материалы с помощью 3D-принтера и использовали их для построения термоэлектрического охладителя. «Наша инновационная интеграция 3D-печати в производство термоэлектрических охладителей значительно увеличивает эффективность производства и снижает затраты», — говорит Сю. Кроме того, в отличие от предыдущих попыток 3D-печати термоэлектрических материалов, настоящий метод дает материалы с значительно более высокой производительностью. Профессор ISTA Ибаньес добавляет: «С коммерчески уровнем производительности наша работа имеет потенциал выйти за пределы академии, имея практическое значение и привлекая интерес со стороны промышленности, стремящейся к реальным приложениям».

Расширяя границы термоэлектрических технологий

Хотя все материалы демонстрируют некоторый термоэлектрический эффект, он часто бывает слишком незначительным, чтобы быть полезным. Материалы, обладающие достаточным термоэлектрическим эффектом, обычно называются «дегенеративными полупроводниками», т.е. «допированными» полупроводниками, к которым при помощи примесей намеренно добавляются проводниковые свойства. Современные термоэлектрические охладители производятся с использованием литейных технологий — дорогих и энергоемких процедур, требующих обширной механической обработки после производства, при этом много материала уходит в отходы. «С помощью нашей работы мы можем 3D-печатать точно нужную форму термоэлектрических материалов. Кроме того, полученные устройства демонстрируют чистый охлаждающий эффект в 50 градусов в воздухе. Это означает, что наши 3D-печатные материалы работают аналогично тем, которые значительно дороже в производстве», — говорит Сю. Таким образом, команда ученых из ISTA предлагает масштабируемый и экономически эффективный метод производства термоэлектрических материалов, обходя энергоемкие и временные затраты.

Печатные материалы с оптимизированными химическими связями частиц

Помимо применения технологий 3D-печати для производства термоэлектрических материалов, команда разработала чернила таким образом, что, когда растворитель-носитель испаряется, образуются эффективные и прочные атомные связи между зернами, создавая атомно соединенную сеть материала. В результате межфазные химические связи улучшают передачу заряда между зернами. Это объясняет, как команда смогла улучшить термоэлектрические характеристики своих 3D-печатных материалов, одновременно освещая новые аспекты транспортных свойств пористых материалов. «Мы использовали метод 3D-печати на основе экструзии и разработали состав чернил для обеспечения целостности напечатанной структуры и повышения связи частиц. Это позволило нам создать первые термоэлектрические охладители из напечатанных материалов с производительностью, сравнимой с литейными устройствами, при этом экономя материал и энергию», — говорит Ибаньес.

Медицинские приложения, извлечение энергии и устойчивое развитие

Помимо быстрого управления теплом в электронике и носимых устройствах, термоэлектрические охладители могут иметь медицинские приложения, включая лечение ожогов и облегчение мышечного напряжения. Кроме того, разработанный командой ученых ISTA метод формирования чернил может быть адаптирован для других материалов, используемых в термоэлектрических генераторах высокой температуры — устройствах, которые могут генерировать электрическое напряжение из разности температур. По словам команды, такой подход может расширить применение термоэлектрических генераторов в различных системах утилизации waste energy.

«Мы успешно выполнили полный цикл, от оптимизации термоэлектрической производительности исходных материалов до изготовления стабильного, высокоэффективного конечного продукта», — говорит Ибаньес. Сю добавляет: «Наша работа предлагаетtransformative решение для производства термоэлектрических устройств и предвещает новую эру эффективных и устойчивых термоэлектрических технологий».

Источник:: Cooling materials -- Out of the 3D printer

Прорывное исследование ставит под сомнение устоявшиеся представления о форме атомных ядер

Международная исследовательская группа, возглавляемая Группой ядерной физики Университета Сарри, опровергла устойчивое убеждение о том, что атомное ядро свинца-208 (²⁰⁸Pb) является идеально сферическим. Это открытие ставит под сомнение основные предположения о ядерной структуре и имеет далеко идущие последствия для нашего понимания того, как формируются самые тяжелые элементы во Вселенной.

Свинец-208 исключительно стабилен благодаря тому, что это "двойное магическое" ядро — и он является самым тяжелым из известных нам ядер. Однако новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, использовало высокочувствительный экспериментальный метод для изучения его формы и обнаружило, что вместо того чтобы быть идеально сферическим, ядро свинца-208 слегка вытянуто, напоминающее регбийный мяч (пролатный сфероид).

Доктор Джек Хендерсон, главный исследователь этого исследования из Школы математики и физики Университета Сарри, сказал:

"Нам удалось объединить четыре отдельных измерения, используя самое чувствительное экспериментальное оборудование в мире для такого типа исследований, что позволило нам сделать это сложное наблюдение. То, что мы увидели, удивило нас, наглядно демонстрируя, что свинец-208 не является сферическим, как можно было бы наивно предположить. Наши результаты прямо ставят под сомнение выводы наших коллег из ядерной теории, открывая захватывающие перспективы для будущих исследований."

Используя современный гамма-спектрометр GRETINA в Национальной лаборатории Аргонн в штате Иллинойс, США, ученые обстреливали атомы свинца высокоскоростными потоками частиц, разогнанными до 10% скорости света — что эквивалентно тому, чтобы обойти Землю за каждую секунду. Взаимодействия создавали уникальные гамма-рейковые отпечатки свойств возбуждённых квантовых состояний в ядрах свинца-208 — другими словами, ядра возбуждались — которые, в свою очередь, использовались для определения его формы.

Теоретические физики, включая членов Группы ядерной теории в Сарри, сейчас пересматривают модели, используемые для описания атомных ядер, поскольку эксперименты предполагают, что ядерная структура гораздо сложнее, чем считалось ранее.

Профессор Пол Стивенсон, ведущий теоретик исследования из Университета Сарри, сказал:

"Эти высокочувствительные эксперименты пролили новый свет на то, что мы думали, что понимаем очень хорошо, представляя нам новую задачу по пониманию причин этого. Одна из возможностей заключается в том, что колебания ядра свинца-208, когда оно возбуждается во время экспериментов, менее регулярны, чем предполагалось ранее. Теперь мы уточняем наши теории, чтобы определить, правильно ли эти идеи."

Исследование, в котором участвовала команда экспертов из ведущих исследовательских центров ядерной физики в Европе и Северной Америке, ставит под сомнение основные принципы ядерной физики и открывает новые направления для исследований по ядерной стабильности, астрофизике и квантовой механике.

Источник:: Breakthrough study challenges long-held beliefs about the shape of atomic nuclei

Электрификация при контакте зависит от истории контактов материалов, показывают физики.

На протяжении веков статическое электричество было предметом увлечения и научного исследования. Теперь исследователи из группы Уайтукайтиса в Институте науки и технологий Австрии (ISTA) обнаружили важную подсказку к этой устойчивой загадке: история контактов материалов контролирует, как они обмениваются зарядом. Эти революционные результаты, опубликованные в журнале Nature, объясняют существующую непредсказуемость электрификации при контакте, раскрывая порядок в том, что долгое время считалось хаосом.

От маленького электрического удара при прикосновении к дверной ручке до полистироловых упаковок, которые прилипают к шерсти озорного кота — хорошо известный и, казалось бы, простой феномен статического электричества озадачивал людей с древности. Как такое повсеместное явление, часто демонстрируемое ошеломлённым детям при натирании воздушного шара о волосы, всё ещё не может быть полностью понято учеными?

Статическое электричество известно под несколькими названиями, но ученые предпочитают называть его «электрификацией при контакте». В отличие от того, что может подразумевать название «статическое электричество», суть явления не является статичной, а включает в себя движение, так как некоторый заряд переносится каждый раз, когда два электрически нейтральных материала касаются друг друга. «Убежать от электрификации при контакте невозможно; каждый с этим сталкивается. Вот почему это может удивлять нас, что мы не понимаем, как именно это происходит», — говорит Скотт Уайтукайтис, доцент Института науки и технологий Австрии (ISTA), который возглавил эту работу вместе со студентом аспирантуры ISTA Хуаном Карлосом Собарсо. Теперь команда обнаружила ключевую часть головоломки, которая оставалась неизвестной в течение веков: «Мы протестировали различные параметры, которые могли повлиять на электрификацию при контакте, но ни один из них не смог объяснить наши результаты. Тогда мы остановились и задумались: что если самим контактом объясняется поведение зарядки? Слово «контакт» уже присутствует в названии, однако оно было широко проигнорировано», — говорит Собарсо.

«Совершенный хаос»

Несмотря на повсеместность явления, понимание того, как различные материалы подвергаются электрификации при контакте, ускользало от физиков и химиков на протяжении веков. В то время как ученым удалось описать механизм для металлов в 1950-х годах, электрические изоляторы оказались более сложными для понимания — хотя именно они являются материалами, которые обмениваются зарядом чаще всего. Исторически несколько исследований предлагали, что изоляторы могут быть упорядочены на основе знака заряда, который они обмениваются, от наиболее положительных до наиболее отрицательных. Например, если стекло заряжается положительно по отношению к керамике, а керамика делает то же самое по отношению к дереву, тогда стекло (обычно) заряжается положительно по отношению к дереву. Таким образом, стекло, керамика и дерево образуют так называемую «трибоэлектрическую последовательность».

Проблема с этими трибоэлектрическими последовательностями, по мнению Уайтукайтиса, заключается в том, что разные исследователи получают разные упорядоченности, и иногда даже один и тот же исследователь не может дважды получить одинаковый порядок, когда повторяет свой собственный эксперимент. «Понять, как изолирующие материалы обмениваются зарядом, казалось абсолютным хаосом в течение очень долгого времени: эксперименты чрезвычайно непредсказуемы и иногда могут казаться совершенно произвольными», — говорит он. В свете этого «абсолютного хаоса» физики и учёные-материаловеды не могли согласовать ни одну модель для объяснения механизма. Усложняло дело и то, что им приходилось сталкиваться с тревожным фактом, что даже идентичные материалы, такие как два воздушных шара, обмениваются зарядом. В конце концов, материалы должны быть одинаковыми, так что что же определяет, куда уходит заряд?

Порядок, возникающий из хаоса

Уайтукайтис и Собарсо предположили, что эта «электрификация при контакте с идентичными материалами» может содержать ключи к более широкому пониманию эффекта. Работая с «идентичными» материалами, они свели количество свободных переменных к минимуму — им просто нужно было найти одну вещь, которая отличала бы образцы. В качестве своего материала они выбрали полидиметилсилоксан (PDMS) — прозрачный полимер на основе силикона, из которого они сделали пластиковые блоки.

На этом этапе ведущая гипотеза о том, почему идентичные материалы обмениваются зарядом, заключалась в случайных вариациях свойств поверхности. Разочаровывающе, первые результаты команды также отражали случайность и непредсказуемость. В то время как они ещё не подозревали, что история контактов образцов может сыграть роль, они тестировали различные условия, иногда используя одни и те же образцы, совершенно не осознавая, что они эволюционируют с каждым дополнительным контактом. Изучая, куда продвигать исследование, они подумали протестировать, будут ли идентичные образцы PDMS упорядочены в трибоэлектрическую последовательность. «Я взял набор образцов, которые были у меня под рукой — тогда я бы использовал их для нескольких экспериментов — и к моему удивлению, я увидел, что они упорядочились в последовательность с первой попытки», — говорит Собарсо. Вдохновлённые этим неожиданным результатом, команда попыталась повторить эксперимент с новыми образцами, но быстро разочаровалась, увидев снова случайные результаты. «На этом этапе мы могли бы отказаться», — говорит Собарсо. «Тем не менее, я решил попробовать снова с этим же набором образцов на следующий день. Результаты выглядели лучше, поэтому я продолжал пробовать до тех пор, пока на пятой попытке образцы не упорядочились в идеальную последовательность». Собарсо только что наткнулся на ответ на вопрос, почему старые образцы сработали с первой попытки. Повторяющийся контакт каким-то образом позволил образцам развиваться. «Как только мы начали отслеживать историю контактов образцов, случайность

Источник:: Contact electrification depends on materials' contact history, physicists show

Новая технология аккумуляторов: Химики демонстрируют высокопроизводительный катод для натрий-ионных батарей.

На протяжении десятилетий ученые ищут способы снизить нашу зависимость от литий-ионных батарей. Эти традиционные аккумуляторы питают повсеместно распространенные потребительские электронные устройства — от ноутбуков до мобильных телефонов и электромобилей. Однако сырой литий дорог и часто добывается через хрупкие геополитические сети.

В этом месяце группа Динка объявляет об увлекательной альтернативе, основанной на органическом катодном материале с высокой энергией для создания натрий-ионных батарей, что повышает вероятность коммерциализации этой технологии с безопасными, более дешёвыми и устойчивыми компонентами.

Хотя ученые добились некоторых успехов с натрий-ионными батареями, трудности возникают в значительной степени из-за их низкой энергетической плотности: время работы батарей относительно их размера короче. Высокая мощностная плотность, которая относится к выходу, также влияет на их производительность. Достичь высокой энергетической плотности и высокой мощностной плотности одновременно было постоянной задачей для альтернативных батарей.

Но катодный материал, предложенный группой Динка, многослойное органическое твёрдое вещество, называемое бис-тетраамино-бензохинон (TAQ), превосходит традиционные литий-ионные катоды как по энергетической, так и по мощностной плотности в технологии, которая действительно масштабируема.

Их исследования имеют потенциал для применения в крупномасштабных системах хранения энергии, таких как центры обработки данных, энергетические сети и коммерческие системы возобновляемой энергии, помимо электромобилей.

«Все понимают проблемы, связанные с ограниченными ресурсами для чего-то столь важного, как батареи, и литий, безусловно, можно отнести к "ограниченным" в ряде аспектов», - сказал Мирча Динка, профессор химии имени Александра Стюарта 1886 года. «Всегда лучше иметь диверсифицированный портфель для этих материалов. Натрий буквально повсюду. Для нас стремление к батареям, сделанным из действительно обильных ресурсов, таких как органическое вещество и морская вода, является одной из наших величайших научных мечт.

«Энергетическая плотность - это то, о чем думают многие, поскольку ее можно соотнести с тем, сколько энергии вы получаете в батарее. Чем выше энергетическая плотность, тем дальше ваше авто может проехать, прежде чем потребуется зарядка. Мы с уверенностью ответили, что новый материал, который мы разработали, имеет наибольшую энергетическую плотность, конечно, на килограмм, и конкурирует с лучшими существующими материалами даже по объемной плотности.

«Работа на переднем плане разработки действительно устойчивого и экономически эффективного натрий-ионного катода или батареи очень возбуждает».

С поддержкой Automobili Lamborghini S.p.A. исследования лаборатории, «Высокоэнергетические, высокомощные натрий-ионные батареи из многослойного органического катода», публикуются в этом месяце в журнале American Chemical Society (JACS).

Приближение к теоретическому максимальному объему

Лаборатория подчеркнула преимущества TAQ год назад, когда впервые сообщила о его полезности для создания литий-ионных батарей в ACS Central Science. Исследователи просто продолжили изучать его потенциал, особенно когда они обнаружили, что TAQ совершенно нерастворим и обладает высокой проводимостью — двумя ключевыми техническими преимуществами для органического катодного материала. Катод является важным компонентом всех поляризованных устройств.

Таким образом, они стремились создать органическую натрий-ионную батарею, используя тот же материал — TAQ. Процесс занял около года, поскольку исследователям пришлось адаптировать несколько принципов дизайна, которые не могли быть перенесены из литий-ионной технологии.

В итоге результаты превзошли их ожидания. Производительность их катода почти достигла эталонного значения, известного как теоретическая максимальная емкость.

«Связующий материал, который мы выбрали, углеродные нанотрубки, способствует смешиванию кристаллитов TAQ и частиц углеродного черного, что приводит к однородному электроду», - сказал аспирант группы Динка и первый автор статьи, Тяньян Чен. «Углеродные нанотрубки плотно обвивают кристаллитов TAQ и соединяют их. Все эти факторы способствуют транспортировке электронов внутри всего массива электрода, обеспечивая почти 100% Utilization активного материала, что приводит к почти теоретически максимальной емкости.

«Использование углеродных нанотрубок значительно улучшает характеристику батареи по скорости, что означает, что батарея может хранить такое же количество энергии за намного более короткое время зарядки или может хранить намного больше энергии за то же время зарядки».

Чен отметил, что преимущества TAQ как катодного материала также включают его стабильность к воздуху и влаге, долгий срок службы, способность выдерживать высокие температуры и экологическую устойчивость.

Источник:: Towards new battery tech: Chemists demonstrate high-performance sodium-ion cathode

Новые исследования проливают свет на использование нескольких CubeSat для ремонтов и обслуживания в космосе.

С увеличением количества спутников, телескопов и других космических аппаратов, рассчитанных на ремонт, потребуется надежное планирование траекторий для безопасного достижения их сервисными аппаратами. Исследователи из кафедры аэронавтики и космической техники в Колледже инженерии Грейнджера при Университете штата Иллинойс в Урбана-Шампейн разрабатывают методику, которая позволит нескольким CubeSat выступать в роли сервисных агентов для сборки или ремонта космического телескопа. Их метод минимизирует потребление топлива, гарантирует, что сервисные агенты никогда не приближаются друг к другу на расстояние менее 5 метров, и может быть использован для решения задач управления маршрутами, не связанных с космосом.

"Мы разработали схему, которая позволяет CubeSat работать эффективно, не сталкиваясь", - сказал аспирант по аэронавтике Рутвик Боммена. "Эти небольшие космические аппараты имеют ограниченные вычислительные возможности, поэтому эти траектории заранее вычисляются инженерами по проектированию миссий."

Боммена и его научный руководитель Робин Вулландс продемонстрировали эффективность алгоритма, моделируя одновременное перемещение модульных компонентов между сервисным аппаратом и космическим телескопом, подвергающимся ремонту в космосе, с участием двух, трех или четырех аппаратов.

"Это сложные траектории для вычисления, но мы разработали новую технику, которая гарантирует их оптимальность", - сказал Боммена.

Он отметил, что самым сложным аспектом является масштаб расстояний. Орбита телескопа Джеймса Уэбба находится примерно в 1,5 миллионах километров от Земли, на Лагранжевской точке 2 между Солнцем и Землей. Это место, где гравитационные силы Солнца и Земли уравновешивают друг друга, что делает его идеальным местом в космосе для спутников глубококосмического наблюдения, чтобы поддерживать орбиту, находясь спиной к Солнцу.

"Не углубляясь в технические детали, мы использовали косвенные методы оптимизации, чтобы гарантировать, что выходное решение является оптимальным по расходу топлива. Прямые методы не предоставляют такой гарантии."

"Мы также включили ограничения по не столкновения в формулировку оптимального управления как жесткое ограничение, чтобы космические аппараты не нарушали это ограничение ни на каком этапе траектории."

Боммена объяснил, что традиционные прямые или косвенные методы с ограничениями, такими как предотвращение столкновений, разбивают траекторию на несколько дуг, что увеличивает сложность в экспоненциальной степени.

"Наша методология позволяет решать траектории как единые дуги. Мы просто идем от начальной точки прямо к конечной. Это более оптимально по топливу и более вычислительно эффективно."

Еще одним важным результатом исследования стала разработка новой динамической модели задачи трех тел с ограничениями, которые имеют отношение к цели.

"Нам нужно было смягчить численные проблемы, связанные с большим расстоянием между Солнцем и Землей", - сказал Боммена. "Для этого мы сначала переместили центр системы координат вдоль оси x от барицентра Солнца и Земли к месту расположения Лагранжевой точки L2 и затем вывели уравнения движения относительно целевого космического аппарата. Мы также ввели новую единицу расстояния, применив коэффициент масштабирования, который пропорционально корректирует относительные расстояния."

Боммена отметил, что он и Вулландс работали над этим проектом около полутора лет. Его прорыв произошел во время длительного перелета.

"Математика работала на бумаге. Основная проблема, с которой мы столкнулись, заключалась в числах. Я писал код во время долгого перелета. Я пробовал несколько вариантов, и вдруг решение сошлось. Сначала я не поверил. Это был очень волнующий момент, и последующие несколько дней казались потрясающими."

Боммена сказал, что хотя основная цель этой работы - сделать обслуживание и сборку в космосе более безопасными и эффективными, разработанная методология очень универсальна и может быть использована в других сценариях оптимизации траекторий с различными ограничениями.

Эта работа была частично поддержана компанией Ten One Aerospace через исследовательский грант NASA STTR Phase I.

Источник:: New research sheds light on using multiple CubeSats for in-space servicing and repair missions

«Вне научной фантастики»: Первые 3D наблюдения атмосферы экзопланеты раскрывают уникальный климат.

Астрономы заглянули в атмосферу планеты за пределами Солнечной системы, впервые составив её 3D-структуру. Совместив все четыре телескопа Очень большого телескопа (VLT) Европейской южной обсерватории (ESO), они обнаружили мощные ветры, переносящие химические элементы, такие как железо и титан, создавая сложные погодные узоры в атмосфере планеты. Это открытие предоставляет возможность для детальных исследований химического состава и погоды на других инопланетных мирах.

«Атмосфера этой планеты ведёт себя таким образом, что это ставит под сомнение наше понимание того, как работает погода — не только на Земле, но и на всех планетах. Это похоже на нечто из научной фантастики», — говорит Юлия Виктория Сейдель, исследовательница Европейской южной обсерватории (ESO) в Чили и главный автор исследования, опубликованного сегодня в журнале Nature.

Планета, WASP-121b (также известная как Тилос), находится на расстоянии около 900 световых лет в созвездии Пуппис. Это ультрагорячий юпитер, газовый гигант, который вращается вокруг своей звезды так близко, что год на ней длится всего около 30 земных часов. Более того, одна сторона планеты переживает невыносимый зной, так как всегда обращена к звезде, в то время как другая сторона гораздо холоднее.

Команда теперь исследовала атмосферу Тилоса, выявив различные ветры в разных слоях, формируя карту 3D-структуры атмосферы. Это первый случай, когда астрономы смогли так глубоко и детально изучить атмосферу планеты за пределами нашей Солнечной системы.

«То, что мы обнаружили, было удивительным: струя ветра вращает материал вокруг экватора планеты, в то время как отдельный поток на более низких уровнях атмосферы перемещает газ с горячей стороны на более холодную. Такого рода климат никогда не наблюдался на каких-либо планетах», — говорит Сейдель, также исследователь Лаборатории Лагранжа, которая является частью Обсерватории Лазурного берега во Франции. Наблюдаемая струя ветра охватывает половину планеты, приобретая скорость и бурно смешивая атмосферу на высоте, когда проходит через горячую сторону Тилоса. «Даже самые сильные ураганы в Солнечной системе кажутся спокойными по сравнению с этим», — добавляет она.

Чтобы раскрыть 3D-структуру атмосферы экзопланеты, команда использовала инструмент ESPRESSO на VLT ESO для объединения света всех четырех крупных телескопов в единый сигнал. Этот комбинированный режим VLT собирает в четыре раза больше света, чем индивидуальный телескоп, раскрывая более слабые детали. Наблюдая планету на протяжении одного полного транзита перед её звездой, ESPRESSO смог обнаружить следы нескольких химических элементов, изучая разные слои атмосферы в результате.

«VLT позволил нам исследовать три разных слоя атмосферы экзопланеты одним махом», — говорит соавтор исследования Леонардо А. душ Сантуш, помощник астронома Института науки космического телескопа в Балтиморе, США. Команда отслеживала движение железа, натрия и водорода, что позволило им проследить ветры в глубоких, средних и поверхностных слоях атмосферы планеты соответственно. «Это такой вид наблюдений, который очень сложно выполнять с помощью космических телескопов, подчеркивая важность наземных наблюдений экзопланет», — добавляет он.

Интересно, что наблюдения также выявили наличие титана чуть ниже струи ветра, как было отмечено в сопутствующем исследовании, опубликованном в журнале Astronomy and Astrophysics. Это было еще одним сюрпризом, так как предыдущие наблюдения планеты показали отсутствие этого элемента, возможно, потому что он скрыт глубоко в атмосфере.

«Это действительно потрясающе, что мы можем изучать такие детали, как химический состав и погодные паттерны планеты на таком огромном расстоянии», — говорит Бибиана Принот, аспирантка Лундского университета в Швеции и ESO, которая возглавила сопутствующее исследование и является соавтором статьи в Nature.

Однако, чтобы изучить атмосферу более мелких, земноподобных планет, понадобятся более крупные телескопы. К ним будет относиться и Экстремально большой телескоп (ELT) ESO, который в настоящее время строится в пустыне Атакама в Чили, и его инструмент ANDES. «ELT станет настоящим прорывом в изучении атмосфер экзопланет», — говорит Принот. «Этот опыт заставляет меня чувствовать, что мы на грани открытия невероятных вещей, о которых мы можем только мечтать сейчас».

Сопутствующее исследование, выявившее наличие титана, было опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics в статье под названием «Titanium chemistry of WASP-121 b with ESPRESSO in 4-UT mode» (doi: 10.1051/0004-6361/202452405)

Источник:: 'Out of science fiction': First 3D observations of an exoplanet's atmosphere reveal a unique climate

Периоды и вспышки: центральная черная дыра Млечного Пути постоянно излучает свет.

Сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути, похоже, устраивает вечеринку — и она странная, дикая и чудесная.

Используя телескоп Джеймса Уэбба (JWST) от NASA, команда астрофизиков под руководством Северо-Западного университета получила самый длинный и детализированный взгляд на пустоту, скрывающуюся в середине нашей галактики.

Вихрь газа и пыли (или акреционный диск), вращающийся вокруг центральной сверхмассивной черной дыры, называемой Стрелец A*, излучает постоянный поток всплесков без периодов покоя, выяснили исследователи. Пока некоторые всплески — это слабые мерцания, продолжающиеся всего несколько секунд, другие всплески представляют собой ослепительные извержения, которые происходят ежедневно. Есть даже более слабые мерцания, которые возникают на месяцы. Уровень активности варьируется во времени — от коротких интервалов до длительных периодов.

Новые результаты могут помочь физикам лучше понять фундаментальную природу черных дыр, то, как они взаимодействуют с окружающей средой, а также динамику и эволюцию нашего собственного галактического дома.

Исследование будет опубликовано во вторник (18 февраля) в журнале The Astrophysical Journal Letters.

«Всплески ожидаются практически во всех сверхмассивных черных дырах, но наша черная дыра уникальна», — сказал Фархад Юсеф-Заде, возглавлявший исследование в Северо-Западном университете. «Она всегда бурлит активностью и, похоже, никогда не достигает состояния покоя. Мы наблюдали черную дыру несколько раз в 2023 и 2024 годах и замечали изменения в каждом наблюдении. Каждый раз мы видели что-то новое, что действительно замечательно. Ничто никогда не оставалось прежним».

Эксперт по центру Млечного Пути, Юсеф-Заде — профессор физики и астрономии в колледже искусств и наук Вайнберга Северо-Западного университета. В международную команду соавторов входят Ховард Бушаус из Института научного телескопа, Ричард Г. Арент из NASA, Марк Уордл из Университета Маккуори в Австралии, Джозеф Михайл из Гарвардского университета и Смитсоновского института и Клэр Чендлер из Национальной обсерватории ради астрономии.

Случайные фейерверки

Чтобы провести исследование, Юсеф-Заде и его команда использовали ближний инфракрасный камеру JWST (NIRCam), которая может одновременно наблюдать два инфракрасных цвета на протяжении длительного времени. С помощью этого инструмента исследователи наблюдали за Стрелец A* в общей сложности 48 часов — с интервалами по 8-10 часов в течение года. Это позволило ученым отслеживать, как черная дыра изменялась с течением времени.

Хотя Юсеф-Заде ожидал увидеть всплески, Стрелец A* оказалась более активной, чем он предполагал. Проще говоря: наблюдения показали непрерывные фейерверки различных яркостей и продолжительности. Акреционный диск, окружающий черную дыру, генерировал пять-шесть крупных всплесков в день и несколько мелких под-всплесков между ними.

«В наших данных мы видели постоянно изменяющуюся, бурлящую яркость», — сказал Юсеф-Заде. «А потом — бум! Большой всплеск яркости внезапно появился. Затем снова успокоилось. Нам не удалось найти в этой активности шаблон. Она, похоже, случайная. Профиль активности черной дыры был новым и захватывающим каждый раз, когда мы на него смотрели».

Два отдельных процесса

Хотя астрофизики еще не полностью понимают, какие процессы играют роль, Юсеф-Заде предполагает, что две отдельные процессы ответственны за кратковременные всплески и более длинные вспышки. Если акреционный диск — это река, то короткие, слабые мерцания похожи на мелкие рябь, которые случайно колеблются на поверхности реки. Длинные, яркие всплески, однако, больше похожи на приливные волны, вызванные более значительными событиями.

Юсеф-Заде предполагает, что незначительные возмущения в акреционном диске, вероятно, генерируют слабые мерцания. В частности, турбулентные колебания внутри диска могут сжимать плазму (горячий, электрически заряженный газ), чтобы вызвать временный всплеск радиации. Юсеф-Заде сравнивает это событие с солнечным всплеском.

«Это похоже на то, как магнитное поле солнца собирается вместе, сжимается и затем взрывается солнечным всплеском», — объяснил он. «Конечно, процессы более драматичны, поскольку окружающая черную дыру среда гораздо более энергична и экстремальна. Но и на поверхности солнца тоже бурлит активность».

Юсеф-Заде приписывает большие, яркие всплески событиям магнитной рекомбинации — процессу, при котором два магнитных поля сталкиваются, высвобождая энергию в форме ускоренных частиц. Двигаясь со скоростями, близкими к скорости света, эти частицы испускают яркие всплески радиации.

«Событие магнитной рекомбинации похоже на искру статического электричества, которая, по сути, также является «электрической рекомбинацией», — говорит Юсеф-Заде.

Двойное зрение

Поскольку NIRCam JWST может одновременно наблюдать две отдельные длины волн (2,1 и 4,8 микрона), Юсеф-Заде и его коллеги смогли сравнить, как изменяется яркость всплесков на каждой длине волны. Юсеф-Заде сказал, что захват света на двух длинах волн — это как «увидеть в цвете вместо черно-белого». Наблюдая за Стрелец A* на разных длинах волн, он получил более полное и нюансированное представление о ее поведении.

Тем не менее, исследователи столкнулись с неожиданностью. Неожиданно они обнаружили, что события

Источник:: Flickers and flares: Milky Way's central black hole constantly bubbles with light

Устройство на солнечной энергии захватывает углекислый газ из воздуха для производства устойчивого топлива.

Исследователи разработали реактор, который извлекает углекислый газ непосредственно из воздуха и преобразует его в устойчивое топливо, используя солнечную энергию в качестве источника энергии.

Исследователи из Кембриджского университета утверждают, что их реактор на солнечной энергии может использоваться для производства топлива для автомобилей и самолетов, а также для многих химических и фармацевтических продуктов, от которых мы зависим. Он также может быть использован для генерации топлива в удаленных или автономных местах.

В отличие от большинства технологий захвата углерода, реактор, разработанный кембриджскими исследователями, не требует энергии на основе ископаемого топлива, а также не нуждается в транспорте и хранении углекислого газа, но вместо этого преобразует атмосферный CO2 в полезное вещество, используя солнечный свет. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Energy.

Захват и хранение углерода (CCS) рассматривается как возможное решение климатического кризиса и недавно получил финансирование в размере 22 миллиарда фунтов стерлингов от правительства Великобритании. Однако CCS требует значительных энергетических затрат, и существуют опасения относительно долгосрочной безопасности хранения сжатого CO2 на большой глубине, хотя в настоящее время проводятся исследования по безопасности.

"Помимо расходов и высоких затрат энергии, CCS предоставляет оправдание продолжать сжигание ископаемого топлива, что и вызвало климатический кризис", - сказал профессор Эрвин Райзнер, возглавивший исследование. "CCS также является нециркулярным процессом, поскольку сжатый CO2, в лучшем случае, хранится под землей на неопределенный срок, где он никому не нужен."

"Что если вместо того, чтобы закачивать углекислый газ под землю, мы сделали бы из него что-то полезное?" - сказал первый автор, доктор Саян Кар из Кембриджского университета, Службы химии имени Юсуфа Хаммеда. "CO2 является вредным парниковым газом, но его также можно преобразовать в полезные химикаты, не способствуя глобальному потеплению."

Основное внимание группы Райзнера сосредоточено на разработке устройств, которые преобразуют отходы, воду и воздух в практические топлива и химические вещества. Эти устройства вдохновлены фотосинтезом: процессом, с помощью которого растения преобразуют солнечный свет в пищу. Устройства не используют никакой внешней энергии: ни кабелей, ни батарей - все, что им нужно, это энергия солнца.

Новая система команды извлекает CO2 непосредственно из воздуха и преобразует его в синтетический газ (syngas): ключевой промежуточный продукт в производстве многих химических веществ и фармацевтики. Исследователи утверждают, что их подход, не требующий транспортировки или хранения, намного проще масштабировать, чем более ранние устройства на солнечной энергии.

Устройство, солнечный потоковый реактор, использует специализированные фильтры для захвата CO2 из воздуха ночью, подобно тому, как губка впитывает воду. Когда солнце выходит, солнечный свет нагревает захваченный CO2, поглощая инфракрасное излучение, а порошок полупроводника поглощает ультрафиолетовое излучение, чтобы инициировать химическую реакцию, преобразующую захваченный CO2 в солнечный синтетический газ. Зеркало на реакторе концентрирует солнечный свет, делая процесс более эффективным.

В настоящее время исследователи работают над превращением солнечной синтетической газы в жидкие топлива, которые могут использоваться для питания автомобилей, самолетов и прочего - без добавления CO2 в атмосферу.

"Если мы будем производить эти устройства в большом масштабе, они смогут решить две проблемы сразу: удаление CO2 из атмосферы и создание чистой альтернативы ископаемому топливу", - сказал Кар. "CO2 рассматривается как вредный побочный продукт, но это также возможность."

Исследователи утверждают, что особенно многообещающая возможность существует в химической и фармацевтической отраслях, где синтетический газ может быть преобразован в многие из продуктов, на которые мы полагаемся каждый день, не способствуя изменению климата. Они строят увеличенную версию реактора и надеются начать испытания весной.

Если его масштабировать, исследователи говорят, что их реактор может быть использован децентрализованно, так что люди могли бы теоретически производить свое собственное топливо, что было бы полезно в удаленных или автономных местах.

"Вместо того, чтобы продолжать выкапывать и сжигать ископаемое топливо для производства продуктов, на которые мы привыкли полагаться, мы можем получать весь необходимый CO2 непосредственно из воздуха и повторно использовать его", - сказал Райзнер. "Мы можем создать циркулярную, устойчивую экономику - если у нас будет политическая воля это сделать."

Технология коммерциализируется при поддержке Cambridge Enterprise, коммерческой структуры университета. Исследование поддерживалось частично UK Research and Innovation (UKRI), Европейским научным советом, Королевской академией инженерии и Cambridge Trust. Эрвин Райзнер является членом колледжа Святого Иоанна в Кембридже.

Источник:: Solar-powered device captures carbon dioxide from air to make sustainable fuel

На близлежащем астероиде найдены отложения, указывающие на соленую воду в удаленной части Солнечной системы.

Астероиды, вращающиеся рядом с Землей, неизбежно вызывают у нас беспокойство из-за даже слабой вероятности столкновения. Но их близость также предоставляет множество возможностей узнать больше о вселенной. Астероид Рюгу, диаметром 900 метров и находящийся в поясе Аполлона, недавно оказался полезен в нашем поиске признаков предшественников жизни в других уголках нашей Солнечной системы.

Группа исследователей из Университета Киото обнаружила доказательства наличия солевых минералов в образцах, извлеченных из Рюгу в ходе начальной фазы японской миссии Хаябуса2. Открытие этих отложений, содержащих карбонат натрия, галит и сульфаты натрия, предполагает, что жидкая соленая вода когда-то существовала в родительском теле Рюгу.

Перед тем, как исследовать образцы, команда ожидала, что частицы, возвращенные с астероида, могут содержать вещества, которые обычно не встречаются в метеоритах. Они предполагали, что это могут быть воды, растворимые вещества, которые легко реагируют с влагой в атмосфере Земли и трудны для обнаружения, если их не исследовать в первозданном состоянии, как это сохранено в вакууме космоса.

"Осторожная обработка позволила нам определитьDelicate salt minerals, предоставив уникальный взгляд на химическую историю Рюгу", говорит соответствующий исследователь Тору Мацуомото.

Эксперты считают, что астероид когда-то был частью более крупного родительского тела, существовавшего около 4,5 миллиарда лет назад, вскоре после формирования солнечной системы. Это родительское тело нагревалось за счет радиоактивного распада, создавая среду с горячей водой ниже 100°C. Хотя Рюгу и его частицы не содержали влаги, остаются вопросы о том, как жидкая вода была утрачена.

"Эти кристаллы рассказывают нам о том, как жидкая вода исчезла из родительского тела Рюгу", говорит Мацуомото. Солевые кристаллы легко растворяются в воде, что предполагает, что они могли образоваться только в условиях высокосоленых вод и при ограниченном количестве жидкости.

"Мы выдвинули гипотезу, что по мере появления трещин, открывающих соленую воду в космос, или по мере охлаждения родительского тела, эта жидкость могла либо испариться, либо замерзнуть", объясняет Мацуомото. "Солевые минералы, которые мы нашли, являются кристаллизованными остатками этой воды."

Эти отложения могут оказаться решающими при сравнении эволюционировавшей воды на карликовой планете Церера, расположенной в поясе астероидов, а также на лунах Юпитера и Сатурна, так как исследователи полагают, что эти ледяные тела хранят подземные океаны или жидкие резервуары. Они ожидают, что карбонаты натрия и галит будут найдены в поверхностных отложениях на Церере, в струях воды с луны Сатурна Энцелада и на поверхностях спутников Юпитера Европы и Ганимеда.

Поскольку образование соли тесно связано с геологическими условиями и химией рассолов в этих водных телах, открытие солей натрия в образцах Рюгу предоставляет новыеInsights для сравнения роли, которую вода сыграла в развитии планет и лун в удаленной части Солнечной системы.

Источник:: Deposits found on a nearby asteroid point to salty water in the outer Solar System

Разработка нового катализатора для устойчивого синтеза аммиака

В революционном исследовании рассматривается оксинитрид-гидрид бескарбонатного бария (Ba 3 SiO 5−x N y H z ) как устойчивый катализатор для синтеза аммиака, предлагая потенциальную альтернативу традиционным системам на основе переходных металлов. Синтезированные с помощью реакций твердого тела при низкой температуре и усиленные наноразмерами рутения, эти соединения продемонстрировали улучшенную каталитическую активность при мягких условиях, обеспечивая более энергоэффективный путь к производству аммиака. Этот подход также решает экологические проблемы, связанные с традиционными методами, сигнализируя о переходе к более зеленым промышленным практикам в производстве аммиака.

Поскольку мир движется к устойчивому развитию, спрос на эффективные альтернативы в различных отраслях продолжает расти. Аммиак, ключевое химическое вещество, используемое в удобрениях, взрывчатых веществах и различных других продуктах, в основном синтезируется через энергоемкий процесс Габера-Боша. Этот процесс требует чрезвычайно высоких температур и давления, что способствует глобальным выбросам углекислого газа. Традиционные катализаторы, такие как железо и рутений, используют эти жесткие условия для проведения реакции. Однако недавнее исследование, проведенное учеными из Института науки Токио, Национального института материаловедения и Университета Тохоку в Японии под руководством профессора Масааки Китано, изучает катализатор Ba 3 SiO 5−x N y H z как устойчивую альтернативу традиционным катализаторам, потенциально революционизируя синтез аммиака.

Пустоты, особенно анионные пустоты в трехмерной структуре катализаторов, функционируют как активные сайты. Эти активные сайты энергетически вовлечены в процесс катализа. Однако анионные пустоты одни неэффективны без наличия сайтов переходных металлов. Это ограничение вдохновило исследователей разработать катализатор, не содержащий переходных металлов.

Опубликованное онлайн в журнале Nature Chemistry 17 февраля 2025 года, исследование направлено на разработку более эффективных, устойчивых методов синтеза аммиака. Китано объясняет: "Мы сосредоточились на трибариевом силикате (Ba 3 SiO 5 ) для синтеза нашего нового катализатора из-за его уникальной кристаллической структуры и химических свойств, что предоставляет возможность снизить энергетические требования и уменьшить рабочие условия", описывая начальный этап своих исследований. Чтобы решить экологические и энергетические проблемы, вызванные традиционными методами синтеза, команда исследователей разработала и протестировала различные смешанные анионные материалы.

Исследование прошло через несколько этапов. В первую очередь, исследователи синтезировали новый оксинизид-гидрид бария, Ba 3 SiO 5−x N y H z , через реакцию твердого тела при низкой температуре (400-700 °C) с использованием бария амида и диоксида кремния. Результирующий химический состав был определен как Ba 3 SiO 2.87 N 0.80 H 1.86 . Эта температура синтеза гораздо ниже, чем температуры синтеза (1100-1400 °C) традиционных силикатных материалов, таких как Ba 3 SiO 5 , Ba 3 Si 6 O 9 N 4 и BaSi 2 O 2 N 2 . Синтезированный катализатор Ba 3 SiO 5−x N y H z продемонстрировал исключительную стабильность в качестве катализатора для синтеза аммиака даже в отсутствие каких-либо сайтов переходных металлов. Он показал более высокую активность и более низкую активирующую энергию по сравнению с традиционным катализатором на основе рутения, загруженного MgO. С другой стороны, Ba 3 SiO 5 , Ba 3 Si 6 O 9 N 4 и BaSi 2 O 2 N 2 не продемонстрировали каталитической активности. Активность катализатора Ba 3 SiO 5−x N y H z по синтезу аммиака была испытана при различных температурах и давлениях, а структурные свойства были проанализированы с использованием современных инструментальных технологий.

Для дальнейшего повышения эффективности были введены наноразмеры рутения. Исследователи обнаружили, что Ba 3 SiO 5−x N y H z показал наивысшую каталитическую активность с наноразмерами рутения. "Добавление наноразмеров рутения значительно повысило каталитическую активность, позволяя более эффективно синтезировать аммиак при мягких условиях. Однако основной активный сайт не наноразмеры рутения, а анионные пустоты на Ba 3 SiO 5−x N y H z , что снижает видимые энергетические требования для синтеза аммиака по сравнению с традиционными катализаторами. Мы также обнаружили, что механизм, опосредованный анионными пустотами, сыграл ключевую роль в активации азота, не полагаясь на переходные металлы," говорит Китано. Эти находки предполагают более устойчивый и энергоэффективный путь для синтеза аммиака.

Исследование подчеркивает ключевые преимущества: сниженные температура и давление повышают эффективность, в то время как путь без переходных металлов сокращает выбросы и зависимость от ресурсов, поддерживая устойчивое развитие. Более того, масштабируемый синтез и надежная производительность катализаторов Ba 3 SiO 5−x N y H z делают их многообещающими кандидатами для промышленного применения, предлагая более устойчивый подход к производству аммиака в масштабах. Эти находки также открывают новые возможности для дальнейших исследований в области катализаторов без переходных металлов для других критически важных процессов.

Источник:: Novel catalyst development for sustainable ammonia synthesis

Ученые оптимизируют разработку био-гибридных скатов с помощью машинного обучения

Школа инженерного дела и прикладных наук имени Джона А. Полсона Гарвардского университета (SEAS) и компания NTT Research, Inc., подразделение NTT, объявили о публикации исследования, демонстрирующего применение управления оптимизацией на основе машинного обучения (ML-DO), которое эффективно ищет высокопроизводительные дизайнерские конфигурации в контексте био-гибридных роботов. Применив подход машинного обучения, исследователи создали мини-био-гибридные скаты, состоящие из кардиомиоцитов (сердечных мышечных клеток) и резины, с размахом крыльев около 10 мм, которые примерно в два раза эффективнее плавают, чем те, что были недавно разработаны с использованием традиционного биомиметического подхода.

Команда, возглавляемая постдокторантом SEAS Гарварда Джоном Циммерманом и включающая в себя исследователя медико-оздоровительной информатики NTT Research Рёму Исии, Тарр-профессора био-инженерии и прикладной физики SEAS Гарварда Кевина Кита Паркера и членов группы по биофизике заболеваний SEAS Гарварда, возглавляемой Паркером, продемонстрировала это исследование в новой статье, опубликованной в журнале Science Robotics под названием "Биовдохновленный дизайн тканево-инженерного ската с машинным обучением".

"Это исследование направлено на ответ на фундаментальный вопрос в разработке био-гибридных роботов, в данном случае морского ската: как выбрать геометрию плавников для работы в новых условиях, сохраняя естественные законы масштабирования, касающиеся скорости плавания и эффективности," - сказал Исия, который также работает в качестве visiting scientist в Гарвардском университете. "Наше исследование показывает, что применение ML-DO, вдохновленного белковой инженерией, предлагает более эффективный и менее ресурсоемкий путь к автоматизации создания взаимосвязей между мышечной структурой и функцией."

Ограничения биомиметического подхода

В биомиметическом дизайне, традиционном подходе к био-гибридам, инженеры формируют функциональные устройства, воссоздавая существующие биологические структуры. Однако такой подход имеет свои пределы. Например, для био-гибридных форм жизни, похожих на рыб-батоидов (скатов и морских скатов), существует широкий диапазон естественных аспектов и морфологий плавников. Какие из них следует подражать? Кроме того, биомиметика может игнорировать естественные биомеханические и гидродинамические силы, которые определяют, насколько быстро организм может плавать в зависимости от его размера и кинематики тела, что приводит к неэффективной мышечной массе и ограничению скоростей плавания.

В этом свете побудительный вопрос в данном исследовании стал: как выбрать геометрию плавников для работы в новых условиях, сохраняя естественные законы масштабирования в терминах скорости плавания и эффективности?

Дизайн-представления машинного обучения

Мультидисциплинарный и итеративный характер проблемы потребовал ресурсоемкого моделирования, однако команда полагала, что управляемая оптимизация с помощью машинного обучения (ML-DO) позволит эффективно искать дизайны плавников, которые максимизируют их относительные скорости плавания. Они частично основывали свою гипотезу на экспериментальной функции, которая продемонстрировала примерно 40-процентное улучшение ML-DO по сравнению с другими ведущими методами в распознавании известных высококлассных последовательностей. Проверка предположения включала три этапа: 1) разработка алгоритма для выражения множества различных геометрий плавников; 2) описание обобщенного подхода ML-DO для поиска в большом дискретном конфигурационном пространстве; и 3) использование этой методологии для определения геометрий плавников био-гибридов для высокопроизводительного плавания с гладким и упорядоченным потоком.

Результаты, полученные с помощью ML-DO, включали количественное исследование взаимосвязей между структурой и функцией плавников и восстановление общих тенденций в морфологии батоидов открытого моря, а также удачный дизайн: плавники с большими аспектами и тонкоподводными кончиками, которые сохраняли свою полезность на нескольких длинах плавания. На этой основе команда создала био-гибридные мини-скаты из разработанной сердечной мышечной ткани, которые были способны на самоходное плавание на миллиметровом масштабе и продемонстрировали улучшенные эксплуатационные характеристики плавания примерно в два раза выше, чем у предыдущих биомиметических дизайнов.

Взгляд в будущее

Хотя результаты многообещающие, исследователи отмечают, что необходима дополнительная работа для полного соответствия естественным законам масштабирования. Хотя устройства, представленные в этом исследовании, продемонстрировали большую эффективность, чем другие недавние биомиметические дизайны, они все еще были чуть менее эффективны в среднем, чем естественно встречающиеся морские формы жизни.

В будущем исследователи ожидают продолжить разработку био-гибридной робототехники для использования в таких областях, как удаленные датчики, пробники для опасных рабочей среды и терапевтические транспортные средства. Исследователи считают, что подход, основанный на ML-DO, лучше имитирует селективные давления эволюции, позволяя лучше понять, как формируются биологические ткани - как в здоровой физиологии, так и в малоадекватной патофизиологии заболеваний. В дополнение к этому, данное исследование способствует научному пониманию 3D био-фабрикации органов, например, био-гибридного сердца.

"Группа биофизики Гарварда заключила соглашение о совместном исследовании с NTT Research два года назад, стремясь фундаментально исследовать наше понимание сердечной физиологии с целью продвинуть разработку био-гибридных устройств, включая био-гибридную робототехнику и био-гибридное человеческое сердце," - сказал Паркер. "Эта статья показывает положительный прогресс, которого достигло наше совместное исследование, и мне интересно увидеть, что ждет нас в будущем нашего сотрудничества."

В 2022 году NTT Research и SEAS Гарварда объявили о трехлетнем совместном исследовательском соглашении по созданию модели человеческого сердца, изучению фундаментальных законов мышечных насосов и применению совместных находок для разработки модели цифрового двойника

Источник:: Scientists optimize biohybrid ray development with machine learning

Исследования используют ИИ для повышения устойчивости и устойчивости инфраструктуры

От прогнозирования ям на дорогах до проектирования более прочного бетона, искусственный интеллект (ИИ) прокладывает путь к более умной инфраструктуре, считает исследователь Университета Миссисипи.

Али Бехнуд, доцент кафедры гражданского строительства, посвятил более 10 лет этой области исследования. Он внес вклад в более чем 60 опубликованных научных статей о роли искусственного интеллекта в устойчивой инфраструктуре.

"Цель нашей команды в Лаборатории инфраструктуры следующего поколения заключается в том, чтобы перейти к следующему поколению устойчивой и устойчивой инфраструктуры," - сказал он.

"Мы пытаемся оптимизировать использование переработанных материалов, промышленных побочных продуктов, возобновляемых ресурсов и альтернативных устойчивых материалов в строительстве, одновременно снижая не только физические затраты, но и трудозатраты, энергетические затраты, затраты на экологическое воздействие и расходы на техническое обслуживание в течение жизненного цикла."

В одной из своих недавних публикаций Бехнуд и Абольфазл Афшин, аспирант Университета Оле Мисс в области гражданского строительства, протестировали способности различных алгоритмов искусственного интеллекта предсказывать, насколько хорошо асфальтовые покрытия с переработанными материалами могут выдерживать влагу.

Когда вода проникает в асфальт, она может разрушать связи, которые удерживают материалы вместе. В своем ослабленном состоянии асфальт с большей вероятностью трескается или другим образом выходит из строя, сказал Афшин.

"Мы сосредоточились на повреждении от влаги, которое является одной из самых критических проблем асфальтовых покрытий, особенно для влажных и холодных регионов, поскольку это приводит к различным повреждениям, таким как отслаивание, ямы и трещины," - сказал он. "Мы оценили эффективность четырех различных алгоритмов искусственного интеллекта в прогнозировании повреждения от влаги в асфальтовых смесях, содержащих материалы (переработанный асфальт).

"Что мы обнаружили, так это то, что эти алгоритмы способны эффективно прогнозировать повреждения от влаги в асфальтовых смесях с высокой точностью. Основываясь на этих результатах, мы можем оптимизировать выбор материалов и предсказать вероятность выхода материалов из строя в течение жизненного цикла покрытия."

Государственные и местные власти потратили более 206 миллиардов долларов на содержание дорог страны в 2021 году, а Министерство транспорта в 2023 году сообщило о почти 1 триллионе долларов в незавершенных ремонтах и техническом обслуживании, необходимых для дорог и мостов. Оптимизация асфальтовых смесей могла бы снизить затраты на обслуживание и продлить срок службы этих дорог.

Определить лучшую смесь переработанного асфальта и других материалов, которые могли бы выдерживать влажные и холодные климатические условия без искусственного интеллекта, было бы невероятно трудоемким и затратным процессом, отметил Бехнуд.

"Алгоритмы на основе искусственного интеллекта предлагают экономически эффективную и эффективную альтернативу традиционным, трудоемким и энергоемким лабораторным методам," - сказал он.

Любое учреждение, которое хочет разработать более устойчивую и экономически выгодную инфраструктуру, может начать использовать процедуры, разработанные командой Бехнуда, добавил он.

"Результаты всех этих исследований могут быть использованы практикующими инженерами, Министерством транспорта, федеральными агентствами, частным сектором -- всеми, кто работает в этой области -- чтобы перейти к устойчивым, экономически эффективным подходам в проектировании," - сказал он. "Инструменты, которые мы разрабатываем, могут использоваться любыми практикующими инженерами."

Помимо прогнозирования потенциального выхода из строя покрытий, многие другие аспекты инфраструктуры можно оптимизировать с помощью искусственного интеллекта и машинного обучения, начиная от проектирования лучших мостов и дорог до управления отходами и мониторинга железных дорог на предмет дефектов или поломок, сказал Бехнуд.

"ИИ также может сыграть решающую роль в устойчивости к катастрофам и управлении рисками," - добавил он. "В случае катастроф или стихийных бедствий эвакуация становится критически важной, и ИИ может определить оптимизированные маршруты, адаптированные к различным сценариям эвакуации, обеспечивая эффективность и безопасность."

"Существует так много примеров того, как мы можем использовать ИИ для устойчивого развития во всех элементах строительства и инфраструктуры. Это огромная сфера, и мы делаем свою маленькую часть в этой огромной области, чтобы двигаться к устойчивому развитию и помогать обществу."

Источник:: Research uses AI to make infrastructure more resilient, sustainable

Астрономы оценивают возможность обитаемости экзопланет, вращающихся вокруг белых карликов.

Среди примерно 10 миллиардов белых карликов в нашей галактике, по словам астрономов из Калифорнийского университета в Ирвине, большее количество, чем ожидалось ранее, может предоставить звездную среду, благоприятную для экзопланет, поддерживающих жизнь.

В недавней статье, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal, исследовательская группа под руководством Аомавы Шилдс, доцента физики и астрономии в UC Irvine, делится результатами исследования, сравнивающего климат экзопланет у двух различных звезд. Одна из них — гипотетический белый карлик, который прошел большую часть своего жизненного цикла и находится на медленном пути к звездной смерти. Другой объект — Кеплер-62, звезда главной последовательности, находящаяся на аналогичной стадии эволюции, что и наше солнце.

Используя 3D-канал климатической модели компьютера, обычно применяемой для изучения окружающей среды Земли, астрономы обнаружили, что экзопланета белого карлика была намного теплее, чем экзопланета Кеплера-62, несмотря на аналогичное распределение звездной энергии.

«Хотя звезды белых карликов все еще могут выделять немного тепла от остаточной ядерной активности в их внешних слоях, они больше не демонстрируют ядерного синтеза в своих ядрах. По этой причине звезды такого типа редко рассматриваются как потенциальные хозяева для обитаемых экзопланет», — сказала Шилдс. «Наши компьютерные симуляции показывают, что если в их орбитах существуют скалистые планеты, эти планеты могут иметь больше обитаемой площади на своих поверхностях, чем предполагалось ранее».

Она добавила, что ключевым различием в системах звезда/планета, которые изучала ее команда — фактор, ответственный за обитаемость климат планеты — были вращательные характеристики планет.

Область обитаемости звезды белого карлика — это зона, в которой экзопланета может поддерживать жизнь благодаря наличию жидкой воды, среди других признаков, — находится гораздо ближе к звезде по сравнению с другими звездами, такими как Кеплер-62. Шилдс подчеркивает, что это приводит к гораздо более быстрому периоду вращения — 10 часов — для экзопланеты белого карлика, в то время как экзопланета Кеплера-62 имеет период вращения 155 дней.

Хотя обе планеты, вероятно, будут затянуты в синхронную орбиту — с постоянной днем и вечной ночью — сверхбыстрое вращение планеты белого карлика растягивает облачную циркуляцию вокруг планеты. Намного медленное, 155-дневное орбитальное движение планеты Кеплера-62 способствует образованию большого облачного слоя из жидкой воды на стороне дня.

«Мы ожидаем, что синхронное вращение экзопланеты в обитаемой зоне нормальной звезды, такой как Кеплер-62, создаст больше облачного покрова на стороне дня планеты, отражаяIncoming radiation от поверхности планеты», — сказала Шилдс. «Это обычно хорошо для планет, вращающихся близко к внутреннему краю обитаемых зон своих звезд, поскольку они могут немного охладиться, а не потерять свои океаны в пространстве из-за разгара парникового эффекта. Но для планеты, которая вращается ровно посередине обитаемой зоны, это не такая уж хорошая идея».

Она продолжила: «Планета, вращающаяся вокруг Кеплера-62, имеет настолько плотный облачный покров, что она остывает слишком сильно, жертвуя ценным обитаемым поверхностным пространством в процессе. С другой стороны, планета, вращающаяся вокруг белого карлика, вращается так быстро, что у нее никогда не хватает времени, чтобы накопить столько облачного покрова на своей стороне дня, поэтому она удерживает больше тепла, а это работает в ее пользу».

Меньше облаков из жидкой воды на стороне дня и более сильный парниковый эффект на стороне ночи создают более теплые условия на планете белого карлика по сравнению с планетой Кеплера-62.

«Эти результаты предполагают, что звездная среда белого карлика, когда-то считавшаяся негостеприимной для жизни, может предоставить новые возможности для ученых, занимающихся экзопланетами и астробиологией», — сказала Шилдс. «С появлением мощных методов наблюдения, позволяющих оценивать атмосферу экзопланет и астробиологию, таких как связанные с телескопом Джеймса Уэбба, мы можем вступить в новую фазу, в которой изучаем совершенно новый класс миров вокруг ранее не рассматриваемых звезд».

Ее коллегами по этому проекту, который получил финансирование от Национального научного фонда и Национального центра атмосферных исследований, были Эрик Уольф из Университета Колорадо в Боулдере; Эрик Агол из Вашингтонского университета; и Пьер-Эммануэль Трембле из Университета Уорика в Великобритании.

Источник:: Astronomers gauge livability of exoplanets orbiting white dwarf stars

Ученые используют ИИ для защиты китов, продвигая охрану океана и его планирование.

Исследователи Рутгерского университета в Нью-Брансуике разработали инструмент искусственного интеллекта (ИИ), который поможет предсказать места обитания находящихся под угрозой исчезновения китов, направляя суда вдоль Атлантического побережья, чтобы избежать столкновений с ними. Инструмент призван предотвращать смертельные несчастные случаи и информировать стратегии охраны и ответственного использования океанских ресурсов.

Используя компьютерную программу на базе ИИ, которая учится на патернах, выявленных между двумя обширными базами данных, исследователи заявили, что их метод улучшает существующие возможности мониторинга океана для определения распределения важных морских видов, таких как критически находящийся под угрозой исчезновения североатлантический_right whale. Североатлантические правые киты числятся находящимися под угрозой исчезновения по Закону о защите видов с 1970 года. По данным Национального управления океаническими и атмосферными явлениями США, в настоящее время осталось примерно 370 особей, включая около 70 репродуктивно активных самок.

Отчет исследователей был опубликован в журнале Nature Scientific Reports.

Работу возглавили Ахмед Азиз Эззат, доцент кафедры промышленной и системной инженерии в Инженерной школе, и Джош Кохут, профессор морских наук, который в январе стал деканом исследовательской деятельности в Школе экологических и биологических наук. Эззат руководит исследовательской группой по примененному машинному обучению в инженерии и физике. Дзясян Цзи, первый автор статьи и аспирант Инженерной школы, внёс значительный вклад в проект.

Кохут сравнил результаты работы программы с тем, что можно узнать, отслеживая перемещения людей в доме, а также выясняя, есть ли еда на кухне и включён ли телевизор в гостиной. Такие факторы могут объяснить, почему люди находятся в определенных местах в определенное время дня. Обнаружение определенных паттернов, сказал он, обладает предсказательной силой.

«С помощью этой программы мы коррелируем положение кита в океане с экологическими условиями», — сказал Кохут. «Это позволяет нам значительно лучше информироваться о принятии решений о том, где могут находиться киты. Мы можем предсказать время и место, когда вероятность нахождения китов будет выше. Это позволит нам реализовать различные стратегии смягчения, чтобы защитить их.»

Поначалу исследователи стремились разработать высокоразрешающие модели присутствия североатлантических правых китов, чтобы поддержать ответственное развитие и эксплуатацию оффшорных ветряных станций. Но они отметили, что результаты имеют гораздо более широкие последствия и сделали детали общедоступными в дополнении к своей исследовательской статье.

«Эти инструменты ценны и будут значительно полезны для всех, кто участвует в синей экономике — включая рыболовство, судоходство и устойчивое развитие альтернативных форм энергии», — сказал Эззат. «Этот подход может поддержать разумное и экологически ответственное использование этих вод, чтобы мы достигли наших экономических целей, и в то же время убедиться, что мы причиняем минимальный, если не нулевой, вред экологической среде этих существ.»

В отличие от типичных компьютерных программ, в которых инструкции явно прописаны, программа машинного обучения, используемая исследователями, анализировала большие наборы данных, чтобы обнаружить паттерны и взаимосвязи. По мере того как программа ИИ получала больше данных, она корректировала свою внутреннюю модель для более точных предсказаний или классификаций.

«Результатом модели машинного обучения в основном является предсказание того, где и когда вероятность встречи с морским млекопитающим будет выше», — говорил Эззат, описывая то, что он охарактеризовал как «карта вероятностей».

Информация, анализируемая компьютерной моделью, включает все данные о подводных скользящих аппаратах и спутниковые данные, собранные учеными Центра океаноргаждающего лидерства Рутгерского университета, начиная с 1992 года, когда он был основан тогдашним доцентом Скоттом Гленном, ныне выдающимся профессором кафедры морских и прибрежных наук. Анализ также включал спутниковые данные, общедоступные благодаря Университету Делавэр.

Подводные скользящие аппараты — это автономные суда торпедообразной формы, которые движутся под поверхностью океана вдоль побережья Среднеатлантического океана. Они предназначены для измерения различных аспектов морской воды, включая температуру, соленость, силу течения и уровень хлорофилла. Скользящие аппараты также отражают звуковые волны от косяков рыб, чтобы оценить их размер, и записывают подводные звуки китов и других морских млекопитающих, локализуя их во времени и пространстве. Спутниковые данные включают измерения температуры поверхности моря, цвета воды и фронтов, среди прочего.

«У нас были данные, но до сих пор мы не могли совместить два набора — те данные о том, где находятся киты, и что за окружающая среда в этих местах», — сказал Кохут. «Это демонстрация силы применения методов ИИ для повышения наших возможностей предсказания или оценки, где могут находиться эти киты.»

Среди других ученых Рутгерского университета, участвовавших в исследовании, были: Лаура Наззаро, управляющая лабораторией в кафедре морских и прибрежных наук; и Джива Рамасами, студент бакалавриата, специализирующийся на информатике.

Источник:: Scientists harness AI to help protect whales, advancing ocean conservation and planning

Физики раскрыли доказательства существования двух стрел времени, возникающих из квантовой области.

Что если время не так фиксировано, как мы думали? Представьте себе, что вместо того, чтобы течь в одном направлении — из прошлого в будущее — время может двигаться вперед или назад из-за процессов, происходящих на квантовом уровне. Это удивительное открытие сделали исследователи из Университета Суррея, которое показывается в новом исследовании, что противоположные стрелы времени теоретически могут возникнуть из определенных квантовых систем.

Веками ученые ломали голову над стрелой времени — идеей, что время необратимо течет из прошлого в будущее. Хотя это кажется очевидным в нашей реальности, законы физики в своей основе не отдают предпочтения ни одному направлению. Независимо от того, движется ли время вперед или назад, уравнения остаются неизменными.

Д-р Андреа Рокко, доцент кафедры физики и математической биологии в Университете Суррея и ведущий автор исследования, сказала:

"Одним из способов объяснить это является пример разлитого молока, растекающегося по столу; очевидно, что время идет вперед. Но если прокрутить это в обратном направлении, как в фильме, вы сразу поймете, что что-то не так — трудно поверить, что молоко могло бы просто собраться обратно в стакан.

"Однако существуют процессы, такие как движение маятника, которые выглядят столь же правдоподобно в обратном направлении. Задача в том, что на самом фундаментальном уровне законы физики напоминают маятник; они не учитывают необратимые процессы. Наши выводы предполагают, что хотя наш общий опыт говорит нам, что время движется только в одном направлении, мы просто не знаем, что обратное направление было бы возможно."

Исследование, опубликованное в журнале Scientific Reports, изучало, как квантовая система — мир субатомного уровня — взаимодействует со своей средой, известной как «открытая квантовая система». Исследователи исследовали, почему мы воспринимаем время как движение в одном направлении и возникает ли это восприятие из открытой квантовой механики.

Чтобы упростить задачу, команда сделала два ключевых предположения. Во-первых, они рассматривали обширную среду, окружающую систему, таким образом, чтобы можно было сосредоточиться только на самой квантовой системе. Во-вторых, они предположили, что среда — как и вся Вселенная — настолько велика, что энергия и информация рассеиваются в ней, никогда не возвращаясь. Этот подход позволил им исследовать, как время появляется как однонаправленный феномен, хотя на микроскопическом уровне время теоретически могло бы двигаться в обоих направлениях.

Даже после применения этих предположений система вела себя одинаково, независимо от того, двигалось ли время вперед или назад. Это открытие предоставило математическую основу для идеи, что симметрия времени по-прежнему сохраняется в открытых квантовых системах, предполагая, что стрелка времени может быть не так фиксирована, как мы её воспринимаем.

Томас Гафф, постдокторант, который руководил расчетами, сказал:

"Удивительной частью этого проекта было то, что даже после стандартного упрощения наших уравнений, описывающих открытые квантовые системы, уравнения вели себя одинаково, независимо от того, движется ли система вперед или назад во времени. Когда мы тщательно проработали математику, мы обнаружили, что это поведение должно было быть таким из-за ключевой части уравнения, "ядра памяти" (memory kernel), которая является временно симметричной.

"Мы также обнаружили небольшой, но важный элемент, который обычно упускается из виду — временной дискретный фактор, который поддерживает свойство симметрии времени. Непривычно видеть такой математический механизм в уравнении физики, поскольку он не является непрерывным, и это было очень удивительно наблюдать, как он возникает так естественным образом."

Исследование предлагает новый взгляд на одну из самых больших загадок физики. Понимание истинной природы времени может иметь глубокие последствия для квантовой механики, космологии и за её пределами.

Дополнительная информация

• Что такое "открытая квантовая система" и чем она отличается от закрытой квантовой системы? - Открытая квантовая система обменивается энергией и информацией с окружающей средой, в то время как закрытая остаётся изолированной от внешнего воздействия.
• Как концепция временной симметрии влияет на понимание термодинамики? - Временная симметрия предполагает, что физические законы действуют одинаково и в прямом, и в обратном направлении времени, но термодинамика показывает увеличение энтропии, подчеркивая направленность времени.
• Какие примеры "ядра памяти" встречаются в других областях физики или инженерии? - Ядра памяти можно встретить в теоретической физике, моделировании вычислительных систем, а также в управлении системами для прогноза и оптимизации.
• Какое значение это исследование может иметь для исследований в области космологии? - Понимание природы времени может пролить свет на важные космологические вопросы, такие как происхождение Вселенной и её эволюция.

Полная версия:: Physicists uncover evidence of two arrows of time emerging from the quantum realm

Почему растения транспортируют энергию так эффективно и быстро?

Эффективное преобразование солнечной энергии в запасаемые формы химической энергии является мечтой многих инженеров. Природа нашла идеальное решение этой проблемы миллиарды лет назад. Новое исследование показывает, что квантовая механика важна не только для физиков, но и играет ключевую роль в биологии.

Фотосинтезирующие организмы, такие как зеленые растения, используют квантовомеханические процессы для захвата энергии солнца, как объясняет профессор Юрген Хауэр: "Когда свет поглощается в листе, например, электронная возбуждённая энергия распределяется по нескольким состояниям каждой возбуждённой молекулы хлорофилла; это называется суперпозицией возбужденных состояний. Это первая стадия почти без потерь передачи энергии внутри и между молекулами и делает возможной эффективную передачу солнечной энергии. Таким образом, квантовая механика имеет решающее значение для понимания первых этапов передачи энергии и разделения заряда."

Этот процесс, который нельзя удовлетворительно объяснить только с помощью классической физики, происходит постоянно в зеленых растениях и других фотосинтезирующих организмах, таких как фотосинтезирующие бактерии.

Тем не менее, точные механизмы все еще остаются не полностью выясненными.

Хауэр и первый автор Эрика Кайл рассматривают своё исследование как важную новую основу для понимания того, как работает хлорофилл, пигмент в зеленом цвете листьев.

Применение этих находок при разработке искусственных установок для фотосинтеза может помочь использовать солнечную энергию с беспрецедентной эффективностью для производства электроэнергии или фотохимии.

Для исследования ученые изучили два специфических участка спектра, в которых хлорофилл поглощает свет: низкоэнергетическая область Q (желтый до красного спектральный диапазон) и высокоэнергетическая область B (синий до зеленого спектральный диапазон). Область Q состоит из двух различных электронных состояний, которые квантово механически связаны. Это связывание приводит к без потерь транспортировке энергии в молекуле. Затем система расслабляется через "охлаждение", т.е. посредством выделения энергии в виде тепла. Исследование показывает, что квантовомеханические эффекты могут оказывать решающее влияние на биологически значимые процессы.

Дополнительная информация

• Что такое спектральные области поглощения и как они связаны с фотосинтезом? - Спектральные области поглощения определяют, какие длины волн света поглощаются конкретными пигментами, такими как хлорофилл. Эти области критически важны для фотосинтеза, так как позволяют эффективно использовать световую энергию.

Полная версия:: Why do plants transport energy so efficiently and quickly?

Доверие людей к системам ИИ для принятия моральных решений еще далеко от реальности.

Психологи предупреждают, что воспринимаемое отсутствие у ИИ человеческого опыта и искреннего понимания может ограничить его принятие для принятия моральных решений сложного характера.

Искусственные моральные советники (ИМС) — это системы, основанные на искусственном интеллекте (ИИ), которые начинают разрабатываться для помощи людям в принятии моральных решений на основе установленных этических теорий, принципов или руководств. Хотя прототипы находятся в стадии разработки, в настоящее время ИМС еще не используются для предоставления последовательных, свободных от предвзятости рекомендаций и рациональных моральных советов. Поскольку машины, управляемые искусственным интеллектом, увеличивают свои технологические возможности и перемещаются в сферу морали, критически важно понять, как люди воспринимают таких искусственных моральных советников.

Исследование, проведенное Школой психологии Университета Кента, изучало, как люди будут воспринимать этих советников и будут ли они доверять их суждениям по сравнению с человеческими советниками. Исследование показало, что, хотя искусственный интеллект может иметь потенциал для предоставления беспристрастных и рациональных советов, люди все еще не полностью доверяют ему в принятии этических решений по моральным дилеммам.

Опубликованное в журнале Cognition, исследование демонстрирует, что люди испытывают значительное отвращение к ИМС (по сравнению с людьми), дающим моральные советы, даже когда предоставленный совет идентичен, при этом также показывая, что это особенно актуально, когда советники — как человеческие, так и ИИ — давали советы, основанные на утилитарных принципах (действия, которые могут положительно сказаться на большинстве). Советники, предоставляющие неутилитарные советы (например, соблюдение моральных правил вместо максимизации результатов), пользовались большим доверием, особенно в дилеммах, связанных с прямым вредом. Это указывает на то, что люди ценят советников — как человеческих, так и ИИ — которые соответствуют принципам, приоритетными для отдельных лиц, а не абстрактных результатов.

Даже когда участники соглашались с решением ИМС, они все равно ожидали, что в будущем будут не согласны с ИИ, что указывает на врожденный скептицизм.

Доктор Джим Эверетт руководил исследованием в Кенте вместе с доктором Саймоном Майерсом из Университета Уорика.

Доктор Джим Эверетт, который возглавил исследование в Кенте, сказал: "Доверие к моральному ИИ — это не только вопрос точности или последовательности — это вопрос соответствия человеческим ценностям и ожиданиям. Наше исследование подчеркивает критическую проблему для принятия ИМС и того, как разработать системы, которым люди действительно будут доверять. По мере развития технологий мы можем увидеть, как ИМС станет более интегрированными в процессы принятия решений, от здравоохранения до правовых систем, поэтому существует большая необходимость понять, как преодолеть разрыв между возможностями ИИ и доверием людей".

Источник:: People's trust in AI systems to make moral decisions is still some way off

Исследователи продвигают нулевые выбросы.

Отсутствие выхлопа означает отсутствие выбросов, верно?

Не совсем.

Широко известно, что хотя электрические автомобили не производят выбросов парниковых газов из выхлопной трубы во время движения, они всё же создают загрязнения от абразии шин и тормозов. Однако степень этих выбросов и то, как она сравнивается с автомобилями на бензиновом двигателе, в значительной мере оставалась неизвестной, пока Хешам Ракха из Транспортного института Вирджинии не исследовал этот вопрос.

В статье, опубликованной в журнале Transportation Research Part D: Transport and Environment, Ракха вместе с научным сотрудником института Мохамедом Фарагом и доцентом кафедры гражданского и экологического инжиниринга Хосейном Форутаном сообщили о результатах, которые указывают на то, что электрические автомобили в целом производят меньше невыбросных загрязнений.

«Модель, которую мы разработали, показала, что аккумуляторные электрические автомобили при правильных условиях имеют больше экологических преимуществ», — сказал Ракха, директор Центра устойчивой мобильности института. «Мы надеемся, что этот инструмент будет способствовать разработке стратегий, которые могут снизить общее загрязнение от автомобилей и продвинуть устойчивые транспортные решения».

Ракха отметил, что поскольку электрические автомобили в целом на 40 процентов тяжелее, чем машины на бензине, первым шагом этого проекта было создание моделей, которые учитывают скорость и вес транспортного средства для расчета выбросов частиц от тормозов и шин. С помощью своего программного обеспечения INTEGRATION он сравнил в общей сложности 24 электрических автомобиля, автотранспортных средств на бензине и гибридов, которые варьировались по весу и размеру. Выбранные автомобили затем были протестированы на трех циклах вождения EPA, которые представляют городское вождение, движение по автотрассам и агрессивное вождение с высокой ускоренностью.

Модели показали, что при большем количестве автомобилей на дороге электрические автомобили производят меньше невыбросных загрязнений, чем их бензиновые аналоги. Однако эта тенденция меняется, когда на дороге меньше трафика. Электрические автомобили будут производить больше невыбросных загрязнений по сравнению с бензиновыми автомобилями при меньшем количестве автомобилей на дороге. В целом, исследование предполагает, что если хотя бы 15 процентов времени вождения происходит в городских условиях, электрические автомобили производят меньше выбросов частиц, чем автомобили на бензине.

Исследование также подчеркнуло, что торможение — один из явных способов, по которым электрические автомобили более экологичны, чем их аналоги. Используя регенеративное торможение, которое заряжает аккумулятор автомобиля за счет трения, создаваемого при торможении, выбросы от тормозов сокращаются, так как электрический двигатель замедляет автомобиль вместо традиционных тормозных колодок.

Ракха считает, что внедрение этих моделей в программы моделирования значительно поможет в анализе выбросов автомобилей. Такие программы, как программное обеспечение INTEGRATION, предоставляют возможность политикам и транспортным планировщикам лучше понять и управлять выбросами автомобилей на городском уровне.

Это исследование также было принято и представлено на Ежегодном собрании Транспортного научного совета в январе.

Источник:: Researchers are driving the charge of zero emissions

Новый смарт-сенсор избавляет от трудностей мониторинга за ранами.

Одной из главных проблем самопитающихся носимых сенсоров для мониторинга здоровья является различение различных сигналов, когда они возникают одновременно. Исследователи из Университета штата Пенсильвания и Технологического университета Хэбэй в Китае решили эту задачу, обнаружив новую особенность сенсорного материала, что позволило команде разработать новый тип гибкого сенсора, который может одновременно и отдельно точно измерять как температуру, так и физические напряжения для более точного определения различных сигналов.

"Этот уникальный сенсорный материал, который мы разработали, имеет потенциально важные приложения в мониторинге здоровья," сказал Юаньху "Ларри" Ченг, доцент инженерных наук и механики Университета штата Пенсильвания и сопредседатель автора исследования, опубликованного в журнале Nature Communications. "Точно измеряя как изменения температуры, так и физическую деформацию или напряжение, создаваемое заживающей раной, и разделяя эти два сигнала, мы можем революционизировать отслеживание заживления ран. Врачи могут получить гораздо более четкое представление о процессе заживления, рано выявляя такие проблемы, как воспаление."

Исследователи стремились точно измерять температурные и напряженные сигналы без перекрестных помех, используя графен, полученный лазером, двухмерный (2D) материал. Как и все 2D материалы, включая обычный графен, графен, полученный лазером, имеет толщину от одного до нескольких атомов c уникальными свойствами, но с особенностью. Графен, полученный лазером (ЛГ), образуется, когда лазер нагревает определенные углеродосодержащие материалы — такие как пластик или древесина — таким образом, что превращает их поверхность в графеновую структуру. Лазер, по сути, "пишет" графен прямо на материале, что делает его простым и масштабируемым способом получения графеновых узоров для электроники, датчиков и энергетических устройств.

ЛГ уже использовался в различных приложениях. Ранее Ченг и его команда использовали ЛГ для газовых сенсоров, электрохимических детекторов для анализа пота, суперконденсаторов и других устройств. Однако, исследователи отметили, что, по их мнению, они впервые открыли новую особенность ЛГ, которая делает его идеальным для многофункционального и точного сенсора.

"В этом конкретном исследовании мы как бы случайно наткнулись на то, что этот материал также обладает термоэлектрическими свойствами," сказал Ченг. "Мы считаем, что это первый случай, когда кто-то сообщил о термоэлектрических возможностях графена, полученного лазером. И это действительно важно для того, что мы пытаемся сделать, а именно — отдельно измерять как изменения температуры, так и физическое напряжение или деформацию."

Термоэлектрические свойства материала означают способность преобразовывать температурные различия в электрическое напряжение и наоборот, что позволяет использовать такие материалы для приложений, таких как сбор энергии и измерение температуры. По словам Ченга, недавно обнаруженное термоэлектрическое свойство ЛГ позволяет легко отделять два измерения сенсора и идеально подходит для применения в здравоохранении, например, в датчике, встраиваемом в повязку.

"Когда у вас есть материалы, чувствительные к как температуре, так и к напряжению, может быть сложно определить, какой сигнал вызывает изменения в материале," сказал Ченг. "Но, используя этот термоэлектрический эффект в графене, полученном лазером, мы можем фактически разъединить эти два измерения. Мы можем рассматривать электрическое сопротивление, чтобы получать информацию о напряжении, одновременно измеряя тепловое напряжение для определения температуры. Вот почему врачи могут использовать это для отслеживания как колебаний температуры, так и физических изменений в области раны, получая гораздо более четкую картину того, как происходит заживление."

Он также отметил, что сенсор обладает высокой чувствительностью, обнаруживая изменения температуры всего на 0,5 градуса Цельсия. Конструкция материала использует взаимодействие пористого графена и термоэлектрических компонентов, что делает его почти в четыре раза более эффективным в преобразовании тепла в электричество. Сенсор также может растягиваться до 45%, а также принимать различные формы и поверхности, не теряя функциональности.

"Пористая структура этого материала создает множество маленьких пространств и каналов, которые позволяют ему очень чувствительно взаимодействовать с окружающей средой," сказал Ченг. "Это делает его хорошо подходящим для взаимодействия с мягкими тканями человека, в отличие от более жестких термоэлектрических материалов, таких как основе керамики."

Поскольку термоэлектрический аспект ЛГ также означает, что он может генерировать электрическую энергию при наличии температурной разницы, сенсоры ЛГ являются самопитающимися. По словам Ченга, это может быть особенно полезно для непрерывного мониторинга в клинических условиях и для других приложений, таких как помощь в обнаружении пожаров в удаленных местах.

В дополнение к улучшению сенсора команда разрабатывает беспроводную систему, которая позволит людям удаленно контролировать данные с сенсора. Это сделает возможным отслеживать важную информацию, такую как температура или напряжение, в реальном времени, используя смартфоны или другие устройства.

"Например, врач может наблюдать за состоянием пациента на расстоянии, или спасатели могут получать уведомления о опасных изменениях температуры," сказал Ченг. "Эти достижения направлены на то, чтобы сделать технологию более доступной и эффективной, повышая мониторинг здоровья и безопасность в повседневных ситуациях."

Кроме Ченга, авторами статьи также являются Анкан Датта, аспирант в области инженерных наук и механики Университета штата Пенсильвания; а также Ли Ян, Сю Чен, Хуэй Чжан, Цихань Ван, Минъян Цин, Шуайцзе Дю и Гуйчжи Сюй, все из Технологического университета Хэбэй.

Работа была поддержана Национальными институтами здравоохранения и Национальным научным фондом США.

Источник:: New smart sensor takes the pain out of wound monitoring