развитие науки

Детская травма заставила мозг подростков быстрее развиваться

Physics Today: Ученые придумали двумерные сверхпроводящие чернила

Ученые из Принстонского университета изобрели сверхпроводящие двумерные чернила, которые можно легко хранить, наносить и применять на практике, пишет Physics Today. Эта технология, разработанная аспиранткой Сяою Сон, ее руководительницей Лесли Шооп и их коллегами, может совершить революцию в производстве микросхем и гибкой электроники, а также открыть дорогу к квантовым компьютерам.

Двумерными называют чернила, позволяющие нанести слой толщиной в одну молекулу. Создание двумерных объектов с помощью таких чернил не требует сложной техники, а полученные “рисунки” устойчивы к действию окружающей среды и не требуют защитных покрытий. Благодаря этим чернилам те двумерные материалы, которые ранее были доступны только в лабораторных условиях, могут стать коммерчески доступными. С помощью чернил, проводящих электричество, можно нарисовать электропроводящий узор. Они используются для нанесения микросхем на гибкие поверхности и могут пригодиться в самых разных областях, от бытовой электроники до суперкомпьютеров.

Материалом для чернил, которые синтезировала принстонская рабочая группа, послужил дисульфид вольфрама WS2. Он известен в виде нескольких модификаций — одинаковых по своему химическому составу, но различных по кристаллической структуре веществ. Для чернил использовался так называемый 1T′-дисульфид вольфрама. Получить его довольно сложно, поскольку обычные методы дают смесь различных кристаллических структур. Ранее было предсказано, что двумерные «чешуйки» 1T′ дисульфида вольфрама могут обладать свойством сверхпроводимости. Однако не существовало удобного способа получать эти «чешуйки» в промышленных масштабах.

Технология получения «чешуек» ранее была отработана на схожем веществе — дителлуриде вольфрама. Но двумерные чернила из него оказались неустойчивыми на воздухе и требовали сложных органических молекул-стабилизаторов. А существующие методы не позволяли выделить чистую 1T′-фазу двумерного дисульфида вольфрама; она оказывалась загрязнена другими кристаллическими фазами.

В качестве исходного вещества для синтеза дисульфида вольфрама ученые обычно использовали дисульфид калия-вольфрама, однако у них не получалось создать мономолекулярный дисульфид вольфрама с нужной кристаллической структурой. Принстонская аспирантка догадалась готовить исходное вещество при высокой температуре, что создало нужную кристаллическую структуру с упорядоченными слоями WS2. Чтобы удалить ионы калия, полученное вещество погружали в кислоту, а чтобы расслоить на мономолекулярные слои — облучали ультразвуком. Так были получены мономолекулярные слои дисульфида вольфрама с нужной структурой. Затем монослои были центрифугированы и помещены в обычную воду.

Полученные чернила, как оказалось, обладают целым рядом удивительных свойств. Они оказались устойчивы при комнатной температуре и не портились в течение месяца. Такими чернилами можно создавать “узоры”, которые также устойчивы к внешним воздействиям и не требуют защитных покрытий. Их можно наносить на самые разные подложки: вафли из кремния/оксида кремния, оксид индия-олова, боросиликатное стекло, полимерные материалы.

Но самое ценное — сверхпроводящие свойства этих чернил. Они обладают свойствами проводника при комнатной температуре и переходят в сверхпроводящее состояние при температуре 7,3° Кельвина, что выше всех значений для дихалькогенидов переходных металлов (халькогениды — соединения с серой и ее аналогами по таблице Менделеева). При этом важно, что полученный дисульфид вольфрама обладает нужной кристаллической структурой, иначе сверхпроводимости не получится.

Полученные чернила из дисульфида вольфрама — хороший кандидат в топологические изоляторы, то есть такие вещества, которые устроены как изолятор в объеме, но как проводник на поверхности. Топологические изоляторы считаются перспективным материалом для бездиссипационных транзисторов в квантовых компьютерах, работающих на квантовом эффекте Холла. (Эффект Холла — это возникновение в проводнике, находящемся в магнитном поле, электродвижущей силы, перпендикулярной направлениям тока и магнитного поля.)

Устойчивость полученных двумерных чернил к внешним воздействиям делает их интересным материалом для того, чтобы изучать соотношение между топологическими свойствами и сверхпроводимостью. Простота синтеза и стабильность полученных чернил предполагают, что их можно будет применить в самых разных областях, таких как квантовые вычисления, изготовление интегральных микросхем, а также гибких устройств.

https://theins.ru/news/261204

Инженеры разработали робомедузу, которая должна помочь людям в очистке загрязненных водоемов.

Инженеры давно работают над созданием роботов из мягких материалов для работы под водой. Благодаря своей мягкости они неспособны нанести вред подводным обитателям и поэтому могли бы использоваться, например, для безопасного наблюдения за животными и отбора проб вблизи коралловых рифов. Многие существующие прототипы имитируют внешний вид медуз и их характерные движения, однако до сих пор неоднозначным остается выбор подходящего актуатора. Имеющиеся на сегодняшний день варианты недостаточно универсальны. Некоторые из них издают шум и вибрации, чем могут потревожить окружающих подводных животных, другие недостаточно эффективны под водой или ограничивают робота в передвижении, снижая его автономность.

Для решения этой проблемы инженеры под руководством Тяня Лу Вана (Tianlu Wang) из Института интеллектуальных систем Общества Макса Планка разработали свой вариант робомедузы на основе электростатических самовосстанавливающихся актуаторов с гидравлическим усилением HASEL (аббревиатура от Hydraulically amplified self-healing electrostatic actuators). Робот имеет шесть щупалец, а его диаметр составляет 160 миллиметров.

Основная часть робота состоит из запаянной полимерной оболочки с полостями, заполненными жидким диэлектриком, роль которого выполняет силиконовое масло. Поверх этого слоя наносится слой углеродных чернил, выступающих в качестве высоковольтного гибкого электрода. Он защищен от соприкосновения с водой водоустойчивым слоем из скотча, который благодаря своей эластичности выполняет функцию пружины, помогающей щупальцу вернуться в исходное состояние после срабатывания. И наконец, поверх этих слоев расположены усиливающие акриловые пластины миллиметровой толщины.

Чтобы центр плавучести находился выше центра масс, обеспечивая тем самым пассивную устойчивость робота, к его нижней части прикреплен дополнительный груз массой 27 грамм. В беспроводной версии робомедузы в нижней части также находится блок с электроникой и аккумулятором. К верхней части присоединен блок для регулировки плотности и достижения нейтральной плавучести.

Робомедуза может захватывать предметы и бесконтактно, только за счет гидродинамических сил, возникающих во время сокращений щупалец робота в пространстве между ними. Схожий эффект демонстрировали ранее на примере робомедузы другой команды инженеров. Кроме того, робомедузы могут действовать коллективно, чтобы перетаскивать объекты. Захватывая частицы и мелкие предметы в составе роя, они способны очищать водоемы от скопившегося на дне мусора. Для этой цели разработчики создали полностью автономную беспроводную версию робота. В будущем они планируют улучшить взаимодействие отдельных робомедуз в составе роя.

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg0292

Первые пациенты начали получать персонализированные мРНК-вакцины от рака

Это Эллиот Пфебве, 55-летний преподаватель, у которого был обнаружен рак кишечника во время рутинного осмотра. Он стал первым пациентом программы Cancer Vaccine Launch Pad, запущенной Национальной службой здравоохранения Великобритании.

Вакцины от рака - это разновидность иммунотерапии. Они созданы, чтобы помогать иммунной системе человека распознавать и затем уничтожать раковые клетки, таким образом предотвращая повторное развитие опухоли.

Вакцины создаются персонально для каждого пациента. Процесс занимает несколько недель. В ходе операции по удалению берется биопсия опухоли, отправляется в лабораторию, где секвенируется ее геном и определяются мутации, которых нет у здоровых клеток. Алгоритм на основе машинного обучения определяет, какие из этих мутаций отвечают за рост опухоли, а также какие из аномальных протеинов, кодируемых этими мутациями, скорее всего вызовут иммунный ответ. А потом синтезируется мРНК для самых многообещающих антигенов и создается индивидуальная вакцина, которая вводится пациенту.

Вакцина от колоректального рака создана компанией BioNTech по той же технологии, по которой BioNTech вместе с Pfizer создали вакцину от Ковида.

Пока рано говорить о том, что первый пациент был полностью излечен, но по словам ведущего исследователя, доктора Виктории Кунене, результаты очень многообещающие.

Вакцины не заменят операции, химиотерапию и радиационную терапию в ближайшем будущем, но станут дополнительным оружием в борьбе с раком.

Десятки пациентов уже вошли в программу Cancer Vaccine Launch Pad, планируется набрать еще несколько тысяч. Первые испытания сосредоточатся на раке кишечника, кожи, легких, мочевого пузыря, поджелудочной и почек. Другие разновидности будут охвачены в будущем.

Исследователи работали над вакцинами от рака не один десяток лет, и вот наконец пришло время, когда они могут принести пользу пациентам.

Учёные вырастили крошечный человеческий мозг с подключением к ПК — он быстро научился решать уравнения и различать людей по голосу

Новая работа с живыми клетками человеческого мозга показала перспективность объединения живых тканей с компьютером. Колония живых нейронов обучалась быстрее искусственных моделей с почти таким же результатом. Если отбросить вопрос с этикой, до проблем с которой пока далеко, живые клетки человеческого мозга могут превзойти современные и будущие нейронные сети, работающие на кремниевых чипах, как по производительности, так и по экономическим соображениям.

С помощью стволовых клеток учёные вырастили так называемый органоид мозга — объёмную колонию клеток, повторяющих структуру нейронов и их связей в мозге. Это не первый и наверняка не последний эксперимент с живыми клетками, позаимствованными у человека. Ранее органоид мозга, например, научили игре в «Понг», с чем он успешно справился. В таких исследованиях самым сложным бывает донести информацию до «мозга» и считать её.

Группа профессора Го Фэня из Университета штата Индиана в Блумингтоне (США) предложила достаточно простое решение — они вырастили органоид на высокоплотном массиве электродов. Электроды, а это, по сути, компьютерный интерфейс, вносили данные в клетки «мозга» и считывали результат его последующей активности. Тем самым на практике была реализована такая архитектура спайковой (импульсной) нейросети, как резервуарная. Что происходило в массиве нейронов, учёным было неизвестно, но условно живая модель показала способность к быстрому обучению и расчётам.

Живой искусственный «мозг» был не такой точный, как искусственные нейронные сети с длинной цепью элементов краткосрочной памяти, но каждая из этих сетей прошла 50 этапов обучения. Сеть Brainoware достигла почти таких же результатов менее чем за 10 % времени обучения, потраченного на обучение искусственных цепей.

«Могут пройти десятилетия, прежде чем будут созданы универсальные биокомпьютерные системы, но это исследование, вероятно, даст фундаментальное представление о механизмах обучения, развитии нервной системы и когнитивных последствиях нейродегенеративных заболеваний»,— мечтают авторы работы,опубликованнойв журналеNature Electronics.

На луне Европа каждые сутки вырабатывается объём кислорода, достаточный для миллиона человек

Система Юпитера служит своего рода уменьшенной версией Солнечной системы и тем привлекает учёных и особенно астробиологов. Подо льдом, составляющим поверхность больших спутников Юпитера, могут скрываться глобальные океаны с инопланетной биологической жизнью. Ещё аппарат NASA «Галилео» засёк выработку кислорода на спутнике Юпитера Европе. Новое исследование зонда «Юнона» только укрепило учёных во мнении, что в океан этой луны может поступать кислород.

Данные «Галилео» более чем 20-летней давности давали сильный разброс в оценках количества кислорода, продуцируемого ледяным щитом Европы. С поверхности этой луны могло улетать от нескольких килограммов до тонны кислорода в секунду. Кислород на Европе получается в процессе бомбардировки её поверхности заряжёнными частицами от Юпитера — этот спутник находится в центре радиационных поясов газового гиганта. Радиация расщепляет молекулу воды (льда на поверхности спутника) на водород и кислород. Датчики зондов улавливают ионы этих элементов и определяют интенсивность их потоков.

Прибор Jovian Auroral Distributions Experiment (JADE) на борту современного зонда «Юнона» (Juno) смог собрать данные о заряжённых частицах у спутника при пролёте на высоте 354 км над Европой, что произошло 29 сентября 2022 года. Как отмечают авторы исследования в свежей статье в журнале Nature Astronomy, анализ выявил выработку кислорода на Европе в объёме 12 кг в секунду. Этого достаточно для обеспечения кислорода для дыхания одному миллиону человек в течение суток. Добавим, непосредственно кислород приборы определить не могут. Оценка даётся по регистрации частиц атомарного водорода.

«Когда миссия NASA «Галилео» пролетала над Европой, это открыло нам глаза на сложное и динамичное взаимодействие Европы с окружающей средой. "Юнона" предоставила новую возможность напрямую измерять состав заряжённых частиц, выделяющихся из атмосферы Европы, и нам не терпелось ещё раз заглянуть за занавес этого захватывающего водного мира, — говорят авторы работы. — Но чего мы не понимали, так это того, что наблюдения "Юноны" дадут нам такие жёсткие ограничения на количество кислорода, вырабатываемого на ледяной поверхности Европы».

Выработка кислорода — это один из многих нюансов, которые будет исследовать миссия NASA Europa Clipper, когда она прибудет в систему Юпитера в 2030 году (запуск зонда ожидается в октябре 2024 года). Зонд будет оснащён сложной аппаратурой из девяти научных приборов, позволяющих определить, есть ли на Европе условия, которые могли бы быть пригодны для жизни. Даже теперь очевидно, что часть кислорода попадает в подлёдный океан. Там вполне может существовать биологическая жизнь. Впрочем, «Юнона» ещё не исчерпала свой научный потенциал и хотя основная её научная работа завершена, этот аппарат ещё послужит учёным.

Сурс

BrainBridge представили концепцию пересадки головы

BrainBridge представили систему пересадки головы с последующей реабилитацией. Хотя, точнее это будет назвать пересадкой тела. У более молодого донора с мертвым мозгом берется все тело и сращивается с головой реципиента, у которого тело было предварительно удалено. Операции производятся одновременно с помощью роботов-хирургов. Тела охлаждаются до температуры 5 градусов Цельсия, при этом используется кастомная плазма. Для сращения нервов и формирования новых нервных связей между головой и новым телом в месте сращения на позвоночнике помещается специальный электронный имплант. Кроме того, производится полная трансплантация лица со всеми тканями и нижней челюстью от молодого донора старому реципиенту.

После этого всего реципиент месяц проводит в коме под постоянным наблюдением, а дальше начинается процесс реабилитации.

Клинические испытания препарата для выращивания новых зубов стартуют в сентябре

Команда исследователей Госпиталя Университета Киото 2 мая объявила, что в сентябре начинают испытания лекарства, позволяющего вырастить новые зубы. В первой фазе, которая продлится до августа 2025 года и должна будет подтвердить эффективность, это будут 30 здоровых мужчин в возрасте от 30 до 64 лет, у которых отсутствует хотя бы один задний зуб. 

Во второй фазе препарат уже будут давать детям от 2 до 7 лет с врожденной недостаточностью зубов, у которых с рождения отсутствует как минимум 4 зуба.

Препарат хорошо показал себя в испытаниях на животных, не вызывая побочных эффектов. Он деактивирует белок USAG-1, который ингибирует рост новых зубов.

Исследователи надеются выпустить препарат в продажу в 2030 году и считают, что в будущем можно будет выращивать зубы не только у людей с врожденной недостаточностью, но и у тех, кто потерял зубы из-за разрушения или травмы.

Соус

У модуля "Наука" проблемы на орбите

Судя по поступающей информации, у "Науки" (запущенной 21 июля) возникли проблемы с топливной системой. Сначала модуль пропустил первый плановый манёвр по увеличению высоты орбиты, затем появилась информация об отказе маршевой двигательной установки из-за слишком высокого давления в топливной системе. 

Предположительно, произошло выравнивание давления между магистралями высокого и низкого давления из-за сбоя клапанов. Это препятствует запуску мощных двигателей для орбитальных маневров, но не мешает работе двигателей ориентации. С их помощь высота орбиты уже была увеличена со 190 до 232 км, что избавило модуль от перспективы скорого схода с орбиты. Но так как двигатели ориентации менее эффективны, чем маршевые, такая ситуация ставит перелёт и стыковку с МКС под угрозу. "Науке" может попросту не хватить на это топлива. 

Ситуацию осложняет то, что модуль из-за своей "древности" (собран более 20 лет назад) не оборудован системой спутниковой связи "Луч" и может связываться с ЦУП-ом только во время пролёта наземных станций связи на территории России. 

О дальнейших планах Роскосмоса пока неизвестно. Отстыковку модуля "Пирс", чьё место должна занять "Наука", уже перенесли с 23 на 25 июля. (А это вообще отдельная история, предстоит расстыковать соединение, которое состыковано уже почти 20 лет). Официальная дата стыковки "Науки" с МКС, 29 июля, пока без изменений. 

Если теоретизировать, то в крайнем случае возможен такой вариант: "Наука" удерживает себя на орбите с помощью двигателей ориентации. К ней запускается грузовик "Прогресс" который буксирует её до МКС. Такой план должен будет реализован в течение нескольких месяцев, пока у "Науки" не закончится топливо, которого должно ещё оставаться ещё и на стыковку с МКС.

Для тех, кто не в курсе: "Наука" новый российский модуль МКС предназначенный для размещения научного оборудования и проведения экспериментов. Изначально изготовлен как дублёр первого модуля МКС "Заря".

Первоначальная схема полёта к МКС

ссылка на гифку

Съёмка через телескоп