​Гофрированный пластик неожиданно стал образцом нового класса «мультистабильных» метаматериалов, которые могут обратимо менять свою форму. Это открытие может привести к созданию различных технологий, начиная от роботов и заканчивая медицинскими устройствами. Физики Анн Меуссен и Мартин ван Хек описывают эти материалы в своей статье, опубликованной в журнале Nature 20 сентября 2023 года.

Исследователи вдохновились природой, где все вокруг нас способно менять свою форму, начиная от раскрывающихся лепестков цветков до роботов, способных хватать предметы. Однако существовала проблема: обычно такие формы были нестабильными, а если они были стабильными, их изменить было невозможно. Схожую проблему испытывал и клей: форма, созданная из мягкой глины, становилась стабильной после запекания, но изменить ее уже нельзя было.

В своей статье Меуссен и Ван Хек описывают новые правила создания мультистабильных метаматериалов, которые могут принимать различные стабильные состояния и легко изменять их. Основой этого открытия является материал с простой структурой: листы пластика или другого гибкого материала с гофрами или канавками. Когда такой лист тянут, гофры прогибаются и образуют протяженные гребни, перпендикулярные направлению гофров. Эти гребни остаются на месте даже после прекращения тяжения, заставляя лист принять новую форму. Сочетание различных гребней позволяет создавать красивые рулоны, спирали и спиральные формы, которые остаются устойчивыми, даже когда материал находится в покое.

Однако, если лист раздвинуть еще дальше, гребни исчезают, и форма может быть снова изменена. Меуссен обнаружил, что каждая изогнутая канавка функционирует как дефект, и соседние дефекты взаимодействуют друг с другом: если они приблизятся, они отталкиваются, но если они находятся рядом друг с другом, они слипаются. Это означает, что гребни состоят из цепочек дефектов, которые взаимодействуют и фиксируют друг друга.

Таким образом, гофрированный пластик представляет собой уникальный класс материалов, способных обратимо менять свою форму. Это открытие может иметь значительное значение для различных областей, включая робототехнику и медицину, где возможность изменять форму материалов может привести к разработке новых устройств и технологий.

DOI: 10.1038/s41586-023-06353-5

​Эффективное просеивание молекул топлива с использованием графена.

Новый метод, разработанный исследовательской группой Университета Цукубы, предлагает инновационный подход к решению проблемы пересечения больших молекул топлива и деградации электродов в топливных элементах, использующих метанол или муравьиную кислоту. Этот метод основан на использовании графеновой мембраны с отверстиями, химически модифицированными сульфанильными функциональными группами.

Одной из главных проблем в технологии топливных элементов является явление кроссовера, когда молекулы топлива проникают между анодом и катодом, что приводит к окислению избыточных молекул топлива и деактивации электродов. Ранее применявшиеся методы для предотвращения этого явления включали увеличение толщины мембраны или использование двумерных материалов, но это снижало протонную проводимость.

Исследователи решили эту проблему, разработав графеновую мембрану с отверстиями диаметром 5-10 нм, которые были химически модифицированы сульфанильными функциональными группами. Эти функциональные группы образуют сульфогруппы вокруг отверстий, создавая стерические препятствия для молекул топлива. Это позволяет мембране успешно подавить явление кроссовера и сохранить высокую протонную проводимость.

Исследование, опубликованное в журнале Advanced Science, представляет значительный прогресс в области технологии топливных элементов. Ранее не было известно о возможности использования графеновой мембраны для подавления кроссовера, сохраняя при этом высокую протонную проводимость. Этот новый метод открывает новые перспективы для разработки топливных элементов с использованием метанола и муравьиной кислоты, что особенно актуально в свете растущей потребности в углеродной нейтральности.

DOI: 10.1002/advs.202304082

Экологически чистая металлургия - это концепция, которая становится все более актуальной в нашем современном мире, где проблемы изменения климата и загрязнения окружающей среды становятся все более серьезными. Однако, согласно исследованию, проведенному специалистами, есть надежда на значительное сокращение выбросов углекислого газа в металлургической отрасли.

Одной из основных причин выбросов углерода является производство стали на угольных электростанциях. Согласно исследованию, 74,5% всей производимой в мире стали производится именно при помощи таких станций. Это означает, что в этом процессе выделяется значительное количество углерода, который попадает в атмосферу и способствует глобальному потеплению.

Однако, исследователи разработали обширную базу данных, содержащую информацию о более чем 19 000 перерабатывающих установках на 4 883 заводах по всему миру. Исходя из этой информации, можно сделать вывод, что модернизация этих заводов может привести к значительному сокращению выбросов углекислого газа. В идеале, если все существующие перерабатывающие предприятия будут модернизированы, выбросы могут быть сокращены на 58,7 гигатонн с 2020 по 2050 год.

Одним из наиболее перспективных способов сокращения выбросов углерода является использование доменных кислородных печей. Они составляют около 63% всего мирового производства стали и могут обеспечить наибольшую экономию выбросов углерода. Однако, важно отметить, что каждая перерабатывающая установка должна быть модернизирована индивидуально, с учетом ее технических характеристик. Различные регионы мира используют разные технологии и методы производства стали, основанные на доступных технологиях и сырье. Поэтому модернизация заводов должна быть адаптирована под конкретные условия каждого региона.

Кроме того, модернизация заводов с высокими выбросами углекислого газа может послужить примером для создания других аналогичных заводов. Если успешные практики будут распространены и применены в других регионах, то это может привести к значительному снижению выбросов углерода в металлургической отрасли в целом.

https://telegra.ph/EHkologicheski-chistaya-metallurgiya-EHto-vozmozhno-09-22

​Разгадка тайн стеклообразных жидкостей.

Стекло - это удивительный материал, который, несмотря на свою прозрачность и жесткость, имеет сложную структуру и уникальные свойства. Недавнее исследование, проведенное группой ученых, расширило наше понимание динамики стеклообразующих жидкостей.

Исследователи предложили новую теоретическую основу, объясняющую появление "динамических неоднородностей" в процессе стеклования. Они предположили, что эти неоднородности возникают из-за локальных перестроек в жидкости, которые взаимодействуют друг с другом через упругие силы. Исследование показало, что взаимодействие между локальными перестройками, упругими силами и тепловыми флуктуациями играет важную роль в коллективной динамике стеклообразующих жидкостей.

Одной из ключевых составляющих этой новой теории является "теория масштабирования", которая объясняет рост длины динамической корреляции в стеклообразующих жидкостях. Эта длина корреляции связана с редкими событиями, называемыми "тепловыми лавинами", которые вызывают более быструю динамику в жидкости. Также исследование дает представление о распаде Стока-Эйнштейна, явлении, при котором вязкость жидкости теряет связь с диффузией ее частиц.

Для подтверждения своих теоретических предсказаний, ученые провели обширное численное моделирование в различных условиях. Симуляции подтвердили точность теории масштабирования и ее способность описывать наблюдаемую динамику в стеклообразующих жидкостях.

DOI: 10.1103/PhysRevX.13.031034

​Неинвазивный способ превратить таракана в киборга.

Команда инженеров-механиков из Наньянского технологического университета в Сингапуре разработала уникальную технологию электронного контроля над тараканами, не причиняя им вреда. Их исследование, опубликованное в журнале npj Flexible Electronics, представляет новый подход к дистанционному управлению тараканами, который отличается от предыдущих работ других групп.

Ранее созданные тараканы-киборги требовали прикрепления зондов к нервной системе насекомого, что приводило к повреждениям и, скорее всего, вызывало болевые ощущения. Такие процедуры ограничивали продолжительность жизни тараканов и уменьшали их эффективность. Кроме того, такие методы исследования вызывали этические вопросы из-за страданий, которые они наносили насекомым.

Однако в своей новой работе исследователи из Наньянского технологического университета предложили инновационный подход, который не требует разрезания тараканов и позволяет им жить дольше. Они обнаружили, что тараканов можно заставить поворачиваться, стимулируя их усики. Для этого они разработали специальные наручники, которые надеваются на каждую антенну таракана. Наручники изготовлены из золота и пластика, что обеспечивает надежное крепление и не наносит вреда насекомому.

Наручники сжимаются вокруг антенн под воздействием ультрафиолетового света, похоже на пластиковую термоусадочную пленку. Они соединены с рюкзаком, который приклеен к спине таракана. Сигналы передаются в рюкзак через беспроводную сеть с помощью ручного контроллера, который отправляет слабые электрические импульсы на антенны, заставляя тараканов поворачиваться в нужном направлении.

Кроме того, исследователи прикрепили электрод к животу таракана, который, при правильной стимуляции, может ускорять или замедлять его движение. Это дополнительный способ контроля над тараканами, который позволяет управлять их скоростью.

Исследователи провели успешные тесты своего киборга-таракана, демонстрируя его возможности. Эта новая технология открывает новые перспективы в области биоэлектроники и робототехники, позволяя более эффективно использовать насекомых для различных целей, таких как поиск и спасение, разведка и другие задачи, где их мобильность и малый размер являются преимуществами.

DOI: 10.1038/s41528-023-00274-z

Пластиковая упаковка стала одной из основных причин экологических проблем, связанных с загрязнением окружающей среды. Отработанный кофе, который ранее просто выбрасывался, теперь может быть использован для создания биоразлагаемых пленок, заменяющих пластик.

Исследователи разработали инновационный способ превращения кофейной гущи в экологически чистый упаковочный материал. Этот процесс позволяет использовать отходы кофеиндустрии, которые ранее считались бесполезными, и превращать их в полезный и устойчивый материал.

Преимущества использования биоразлагаемых пленок из кофейной гущи очевидны. Во-первых, это позволяет снизить негативное воздействие на окружающую среду, так как такие пленки разлагаются естественным образом и не накапливаются в природе. Во-вторых, это способствует утилизации отходов, что помогает снизить объем мусора и сократить его влияние на экологию.

Более того, использование биоразлагаемых пленок из кофейной гущи может сыграть важную роль в снижении использования обычного пластика. Многие исследования уже указывают на серьезные последствия накопления пластика в океанах и его влияние на здоровье человека. Хотя долгосрочные последствия микропластика для здоровья пока не полностью изучены, использование биоразлагаемых альтернатив пластику является важным шагом в защите окружающей среды и нашего здоровья.

https://telegra.ph/Plastmassa-iz-ostatkov-kofe-09-22

​Новая альтернатива асфальтовому связующему менее токсична и более экологична, чем обычная смесь.

Асфальт - это не только незаменимый материал для строительства дорог, но и находит применение в других областях, таких как игровые площадки, велосипедные дорожки, беговые дорожки, а также теннисные и баскетбольные площадки. Однако, использование асфальта может представлять опасность для здоровья из-за токсичных паров, особенно при работе с ним в закрытых помещениях или при высокой температуре.

С целью минимизации воздействия токсичных паров асфальта и повышения его устойчивости, команда ученых из Университета штата Аризона разработала новое связующее вещество под названием AirDuo. Это запатентованное связующее не только снижает количество токсичных паров, выделяемых асфальтом, но и улучшает его качество в целом.

Основное внимание в разработке AirDuo уделялось безопасности здоровья людей, особенно тех, кто работает с асфальтом. Первые испытания нового связующего состоялись на парковке Gammage Auditorium ASU, где служба технического обслуживания объектов ASU помогла перенести исследования из лаборатории на практику. Результаты испытаний были впечатляющими, и AirDuo успешно прошел проверку на прочность и долговечность.

Доктор Элли Фини, ведущий специалист по устойчивой инженерии и искусственной среде, считает, что новое связующее вещество на основе биологических компонентов в конечном итоге будет использоваться не только для заплаток, но и во всех асфальтовых покрытиях. Это поможет снизить риск воздействия токсичных паров на здоровье людей, особенно рабочих, которые ежегодно подвергаются негативному воздействию асфальтовых паров.

Управление по охране труда Министерства труда США отмечает, что около полумиллиона рабочих каждый год сталкиваются с воздействием паров асфальта, что может привести к различным заболеваниям, включая головные боли, кожные реакции, усталость, раздражение горла и глаз, кашель и даже рак кожи. Поэтому разработка безопасных и экологически чистых асфальтовых материалов, таких как AirDuo, имеет огромное значение для обеспечения здоровья и безопасности рабочих и общества в целом.

AirDuo - это не просто связующее вещество, оно является клеем, который обеспечивает прочность и стойкость асфальтовых покрытий, скрепляя камни, песок, гравий и другие компоненты. Благодаря использованию низкоуглеродистых материалов биологического происхождения, AirDuo представляет собой инновационное решение, которое поможет сделать асфальтовые покрытия безопаснее и устойчивее в долгосрочной перспективе.

DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c06292
DOI: 10.1002/adsu.202300054

Бабочки вновь вдохновляют учёных и инженеров. На этот раз для создания изменяющих цвет плёнок.

Инновационная пиксельная мягкая система, меняющая цвет, под названием Morphable Concavity Array (MoCA), разработанная исследователями из Университета Гонконга (HKU), представляет собой гибкую структуру, способную изменять цвет путем манипуляции светом при деформации. Эта технология находит применение в различных отраслях, начиная от медицинских повязок, которые меняют цвет при обнаружении инфекции, до складных экранов на мобильных устройствах и носимых технологий, включая интегрированные в одежду сенсоры.

МоCA представляет собой тонкую резиноподобную структуру, состоящую из двух слоев. Верхний слой представляет собой пленку фотонно-кристаллического эластомера (PC-EA), а нижний слой содержит массив отверстий в форме решетки. Пленка PC-EA, в свю очередь, тоже состоит из двух слоев: верхний слой эластомера (GPDMS) и нижний слой гидрогеля (pNIPAM). При добавлении этанола к слою pNIPAM происходит набухание, и возникающее напряжение тянет слой эластомера GPDMS вниз в отверстие массива, создавая вогнутую форму, напоминающую тарелку. Эта вогнутость, называемая морфируемой вогнутостью (MoC), действует как пиксель. После образования вогнутости, красный свет блокируется, и видимый цвет пикселя меняется с красного на синий.

Исследователи вдохновились структурами на крыльях бабочек, известными как двухцветные микровыемки, которые создают яркие, переливающиеся цвета. Эти микровыемки представляют собой крошечные ямки, блокирующие определенные длины волн света и создающие два разных цвета в зависимости от угла света и перспективы зрителя. На крыльях бабочек эти ямки организованы в регулярные структуры, известные как фотонные кристаллы. MoCA воспроизводит фотонные кристаллы крыльев бабочек, что делает его революционной технологией в области изменяемых цветовых систем.

Такая инновационная технология имеет огромный потенциал для применения в различных отраслях. Например, в медицине, MoCA может использоваться для создания повязок, которые меняют цвет при обнаружении инфекции, что позволит своевременно определить заражение и принять необходимые меры. В сфере электроники, гибкие и складные экраны на основе MoCA могут стать следующим шагом в развитии мобильных устройств, обеспечивая более гибкую и удобную функциональность. Кроме того, носимые технологии, в которых интегрированы датчики в ткань одежды, могут существенно улучшить мониторинг здоровья и физическую активность.

DOI: 10.1002/advs.202300347

Катализатор из меди превращает углекислый газ в метан.

Современные технологии удаления углерода из атмосферы становятся все более совершенными, но одним из главных вопросов, с которым сталкиваются ученые, является то, что делать с углеродом после его улавливания. Однако исследователи из Лаборатории материаловеда Университета Райса, во главе с Пуликелем Аджаяном, нашли решение этой проблемы.

Они разработали метод, который позволяет вырвать углерод из углекислого газа и присоединить его к атомам водорода, образуя метан - ценное топливо и промышленное сырье. Исследование, опубликованное в журнале Advanced Materials, описывает метод, основанный на электролизе и использовании катализаторов, созданных путем прививки изолированных атомов меди на двумерные полимерные шаблоны.

Один из научных сотрудников лаборатории, Сумьябрата Рой, подчеркнул, что конверсия углекислого газа в метан может быть осуществлена различными путями, и это может привести к производству большого количества промышленного топлива и сырья. Однако преобразование углекислого газа в метан является сложным процессом, состоящим из восьми этапов, что создает проблемы для селективного и энергоэффективного производства метана.

Однако исследователи смогли преодолеть эти проблемы, разработав эффективные и доступные катализаторы. Полимерные шаблоны, состоящие из чередующихся атомов углерода и азота, имеют микроскопические поры, в которых атомы меди могут находиться на разных расстояниях друг от друга. Катализаторы собираются в воде при комнатной температуре, и атомы меди замещают ионы металлов-хозяев в полимерных матрицах.

В результате испытаний в реакторе катализаторы показали отличные результаты: они позволили восстановить углекислый газ до метана в одной половине ячейки, а в другой половине получить кислород из воды. Ученые отмечают, что изменение расстояний между атомами меди способствует снижению энергии, необходимой для ключевых этапов реакции, что ускоряет химическое превращение. Такое совместное действие соседних атомов меди помогает производить метан с высокой селективностью и эффективностью.

Этот метод является одной из самых быстрых и эффективных реакций электролиза, и его применение может помочь замкнуть искусственный углеродный цикл в значительных масштабах. Разработка эффективных и доступных катализаторов является ключевым шагом на пути к достижению этой цели.

DOI: 10.1002/adma.202300713

​Естественная эволюционная стратегия повышает производительность квантовых вычислений.

Недавние исследования, проведенные группой ученых из Чунцинского педагогического университета под руководством Юмина Донга, привели к разработке нового метода оптимизации параметрических квантовых схем. Этот метод, сочетающий в себе преимущества естественной эволюционной стратегии без градиента и градиентного спуска, предлагает решение для проблемы "бесплодного плато" в вариационных квантовых алгоритмах.

Вариационные квантовые алгоритмы стали ключевым фактором в развитии квантовых вычислений, применяемых в различных областях, начиная от квантовой химии и комбинаторной оптимизации, и заканчивая задачами машинного обучения, такими как идентификация информации. Однако одной из основных проблем, с которой сталкиваются исследователи, является проблема "бесплодного плато".

В классической оптимизации, методы, основанные на градиенте, используют его для управления процессом оптимизации, исходя из наклона целевой функции. Однако в квантовых вычислениях возникает проблема "бесплодного плато", когда градиент в ландшафте задачи оптимизации становится незаметным. Это приводит к затруднениям в поиске решения, поскольку отсутствие градиента затрудняет оптимизацию и приводит к застреванию на плато.

Традиционные методы оптимизации, основанные на градиенте, ограничены в работе с бесплодными плато. Предыдущие идеи, такие как использование квантовых естественных градиентов или методы инициализации параметров, чтобы избежать слабых бесплодных плато, имели свои ограничения. Исследователи решили подойти к проблеме иначе и использовать силу естественных эволюционных стратегий без градиента.

Они предполагают, что эти стратегии позволят оптимизировать квантовые схемы с точки зрения количества вычислений функций и масштабирования размера схемы. Это открывает новые перспективы для квантовых вычислений и машинного обучения, и может привести к развитию более эффективных и точных методов оптимизации параметрических квантовых схем.

Исследование, опубликованное в журнале Intelligent Computing, представляет значимый вклад в область квантовых вычислений и подтверждает важность разработки новых методов оптимизации для преодоления сложностей, связанных с бесплодными плато. Результаты этого исследования могут стать отправной точкой для дальнейших исследований и разработок в области вариационных квантовых алгоритмов и квантового машинного обучения.

DOI: 10.34133/icomputing.0042

​Можно ли из фотографии извлечь звук, который звучал во время выполнения снимка? Вы удивитесь, но можно!

Кевин Фу, профессор электротехники, вычислительной техники и информатики Северо-Восточного университета, разработал инновационный инструмент на основе машинного обучения, названный Side Eye, который способен извлекать звук из изображений и видео с отключенным звуком.

Side Eye позволяет Фу и его исследовательской группе определять пол человека, говорящего в комнате, где была сделана фотография, и даже точные слова, которые он произнес. Это открывает новые возможности для анализа и понимания контекста, который ранее был недоступен. Например, если кто-то снимает видео в TikTok и дублирует музыку, Side Eye может помочь узнать, что на самом деле говорится за кадром. Это может быть полезным для раскрытия скрытой информации или просто для улучшения понимания контента.

Интересно отметить, что идея Side Eye была вдохновлена научно-фантастическим сериалом "Грань", где команда научных исследователей извлекала звук из расплавленного стекла. Критики отнесли это к псевдонауке, но Фу принял вызов и доказал, что это возможно. Он говорит, что его лаборатория специализируется на невозможном и всегда стремится сделать то, что кажется невозможным.

Side Eye использует технологию стабилизации изображения, которая уже широко применяется в большинстве телефонных камер. Эта технология помогает избежать размытости фотографий, используя пружины и электромагниты для удержания и стабилизации объектива. Однако Фу обнаружил, что когда кто-то говорит возле объектива камеры, это вызывает небольшие колебания, которые можно зафиксировать и преобразовать в звуковые данные.

Хотя эта технология звучит фантастически, она может иметь практическое применение в различных областях. Например, она может быть использована в сфере безопасности, чтобы обнаружить скрытые разговоры или уловить важную информацию. Однако, возникает вопрос о конфиденциальности и этичности использования таких технологий. Важно найти баланс между преимуществами и потенциальными рисками, чтобы общество могло воспользоваться этими новыми возможностями, не нарушая приватность и безопасность людей.

Таким образом, отключение звука во время видеозвонков может быть не таким безопасным, как мы думаем. Side Eye представляет собой инновационный инструмент, который открывает новые возможности для анализа и понимания звукового контента визуальных материалов. Однако, как и с любыми новыми технологиями, важно обсудить этические и правовые аспекты, чтобы обеспечить безопасное и справедливое использование этой технологии.

​Новый твердый электролит из дешевых и экологически чистых материалов

Новая технология в области полностью твердотельных аккумуляторов, созданная учеными из UNIST, обещает серьезно изменить коммерциализацию этих батарей. Исследование, опубликованное в журнале Angewandte Chemie International Edition, представляет новый твердый электролит, полученный из аналогов берлинской лазури (PBA), который обладает экологической чистотой и низкой стоимостью производства.

Твердые электролиты играют важную роль в полностью твердотельных батареях, но до сих пор их использование ограничивалось высокой стоимостью и экологическими проблемами. Однако, благодаря использованию PBA в качестве твердого электролита, исследователи предлагают эффективную и экологически чистую альтернативу.

Аналоги берлинской лазури, которые известны своим использованием в качестве синего красителя с 18 века, оказались идеальным кандидатом для твердых электролитов из-за своих широких каналов ионной проводимости и простоты синтеза. Ученые обнаружили, что свойства PBA способствуют повышению ионной проводимости, а различные переходные металлы влияют на размер ионных каналов, определяя проводимость.

Путем всестороннего анализа стабильности межфазных реакций с активными материалами анода и катода, исследователи определили подходящие группы материалов и успешно разработали полностью твердую натриевую вторичную батарею на основе материалов, содержащих берлинскую лазурь с добавкой марганца. Эта батарея продемонстрировала высокую проводимость ионов натрия даже при комнатной температуре, что подтверждает потенциал PBA в качестве твердого электролита.

Использование экологически чистых материалов, основанных на берлинской лазури, в качестве твердых электролитов открывает новые перспективы для будущего развития этой технологии. Это открытие поможет преодолеть преграды, которые ранее затрудняли коммерциализацию полностью твердотельных аккумуляторов, и приведет к разработке более доступных и экологически безопасных энергетических решений.

DOI: 10.1002/anie.202309852.

​Как думаете, сколько вам времени понадобиться, чтобы освоиться с третьей рукой? Оказалось, что всего час.

Новое исследование, проведенное исследователями из Лондонского университета Королевы Марии, Имперского колледжа Лондона и Мельбурнского университета, привлекло внимание своими результатами, которые показали потенциал использования сверхштатных роботизированных рук в повседневной жизни людей. Идея использования дополнительных протезов для улучшения возможностей человека уже давно присутствует в научной фантастике, но теперь она стала ближе к реальности.

Исследование, опубликованное в Открытом журнале инженерии в медицине и биологии IEEE, исследовало эффективность и простоту использования дополнительных роботизированных рук. Участникам исследования было предложено выполнить различные задачи с помощью таких рук, после чего они либо прошли один час обучения, либо поработали с партнером.

Удивительно, что результаты показали, что участники, прошедшие обучение на дополнительной руке, справились с заданиями так же хорошо, как и те, кто работал с партнером. Это открывает новые перспективы для использования дополнительных роботизированных рук в различных областях, таких как хирургия, промышленность и реабилитация.

Доктор Екатерина Иванова, ведущий автор исследования из Лондонского университета Королевы Марии, подчеркнула, что результаты исследования весьма обнадеживают для будущего развития дополнительного роботизированного оружия. Она отметила, что такие руки могут стать жизнеспособной альтернативой работе с партнером и их можно научиться использовать эффективно за относительно короткий промежуток времени.

Помимо улучшения повседневных задач, дополнительные роботизированные руки могут иметь значительное применение в медицине. Хирургические операции, требующие максимальной точности и мелких движений, могут быть улучшены с помощью таких протезов. Также, в промышленности, где требуется выполнение сложных и тяжелых задач, дополнительные руки могут значительно увеличить производительность и безопасность рабочих.

В целом, результаты этого исследования открывают новые возможности для развития и применения дополнительных роботизированных рук. Они демонстрируют, что люди могут быстро освоить и использовать такие руки, что делает их перспективным решением для повышения производительности и улучшения качества жизни.

DOI: 10.1109/OJEMB.2023.3305808

Орбитальные токи могут распространяться очень далеко — новый многообещающий сверхбыстрый канал обработки квантовых данных.

Орбитроника - увлекательная область исследований, которая открывает новые возможности для квантовых информационных технологий. Это недавно появившаяся область исследований по манипулированию орбитальной степенью свободы электронов. Однако однозначное обнаружение сверхбыстрой динамики орбитального углового момента до сих пор было сложной задачей.

В последнем исследовании, проведенном учеными из Свободного университета Берлина и их партнерами, были достигнуты заметные положительные результаты в понимании сверхбыстрой динамики орбитального углового момента электронов.

Используя современную ТГц-спектроскопию, исследователи смогли измерить сверхбыстрый и дальний поток орбитально поляризованных электронов. Результаты показывают, что информация, хранящаяся в орбитальных степенях свободы, преобладает в течение периодов примерно в 100 раз дольше, чем информация, хранящаяся в спиновой степени свободы.

Это открытие имеет огромное значение для развития орбитронных устройств, которые могут обрабатывать данные с ТГц скоростью и при этом иметь низкое рассеивание энергии. Такие устройства могут стать основой для создания более быстрых и эффективных квантовых компьютеров и других квантовых технологий.

Ключевым моментом исследования было наблюдение орбитальных токов углового момента во временной области. Ученые использовали фемтосекундные лазерные импульсы для возбуждения сверхбыстрых токов орбитального углового момента в стопках тонких пленок из никеля и вольфрама и измеряли излучаемые электромагнитные импульсы терагерцового диапазона.. Это позволило им восстановить поток орбитального углового момента через вольфрам с фемтосекундной точностью.

В результате выяснилось, что орбитальные токи углового момента в вольфраме движутся с низкой скоростью, но при этом улетают на очень большие расстояния. Это открывает новые перспективы для создания устройств, которые могут манипулировать орбитальными степенями свободы электронов и использовать их для передачи и обработки информации.

Источник:
Том С. Зайферт и др., Наблюдение во временной области баллистических токов орбитального углового момента с гигантской длиной релаксации в вольфраме (Tom S. Seifert et al, Time-domain observation of ballistic orbital-angular-momentum currents with giant relaxation length in tungsten), Nature Nanotechnology (2023). DOI: 10.1038/s41565-023-01470-8

Квантовый двигатель. Ни много, ни мало...

Квантовая механика - это удивительная область физики, которая открывает перед нами много новых возможностей. Благодаря ей мы можем изучать свойства и взаимодействия частиц на очень малых масштабах, таких как атомы и молекулы, и даже на субатомном уровне. Но не только самими исследованиями ценна квантовая механика. Мы можем разрабатывать принципиально новые технологии, которые значительно превосходят свои традиционные аналоги в эффективности и мощности. И вот квантовая механика подкинула нам кое-что интересное!

Один из последних значительных результатов получили л в Окинавском институте науки и технологий (OIST), где исследователи из отдела квантовых систем сотрудничали с учеными из Университета Кайзерслаутерна-Ландау и Штутгартского университета. Вместе они разработали и построили, ни много ни мало, квантовый двигатель! Он работает на тех самых особых квантовых правилах, управляющих частицами на очень малых масштабах.

Классический, например, автомобильный двигатель работает по принципу сжигания топлива внутри камеры. В результате этого процесса газ в камере нагревается, что приводит к расширению газа и, соответственно, движению поршня и вращению колес автомобиля. Однако в квантовом двигателе, созданном учеными, процесс управляется изменением квантовой природы частиц в газе.

Основная идея заключается в том, что все частицы в природе можно классифицировать как бозоны или фермионы, в зависимости от их квантовых характеристик. При очень низких температурах, когда квантовые эффекты становятся значимыми, бозоны имеют более низкое энергетическое состояние, чем фермионы. И именно эту разницу в энергии ученые использовали для создания энергии в квантовом двигателе.

Вместо циклического нагрева и охлаждения газа, как это делает классический двигатель, квантовый двигатель работает, превращая бозоны в фермионы и обратно. Этот процесс позволяет получать энергию без необходимости использования топлива и сжигания.

«Чтобы превратить фермионы в бозоны, вы можете взять два фермиона и объединить их в молекулу. Эта новая молекула — бозон. Разрушение ее позволяет нам снова получить фермионы. Делая это циклически, мы можем привести двигатель в действие, не используя тепло», — пояснил профессор Томас Буш, руководитель отдела квантовых систем. Таким образом, квантовый двигатель может работать без необходимости постоянного нагревания и охлаждения, что делает его более эффективным и экологически чистым.

Хотя этот тип двигателя работает только в квантовом режиме, команда обнаружила, что его эффективность довольно высока и может достигать 25% на нынешней экспериментальной установке, построенной немецкими коллегами.

Этот новый двигатель представляет собой захватывающую разработку в области квантовой механики и потенциально может привести к дальнейшему прогрессу в развивающейся области квантовых технологий. Но означает ли это, что мы скоро увидим квантовую механику, приводящую в действие двигатели наших автомобилей? «Хотя эти системы могут быть очень эффективными, мы только провели проверку концепции вместе с нашими экспериментальными сотрудниками», — объяснил Кирти Менон. «На пути создания полезного квантового двигателя все еще остается много проблем».

Источник:
Артур Видера, Квантовый двигатель в кроссовере BEC–BCS (Artur Widera, A quantum engine in the BEC–BCS crossover), Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06469-8

Новый рекордсмен в двойном лучепреломлении.

Команда ученых и инженеров из Университета Висконсин-Мэдисон, Университета Южной Калифорнии и Вашингтонского университета в Сент-Луисе снова поразила нас своими достижениями в области материаловедения. Их последний научный подвиг заключается в создании уникального материала, способного преломлять один инфракрасный луч света в двух направлениях, причём с рекордными значениями.

Это уже второй раз за последние пять лет, когда команда установила новый рекорд в создании так называемого "двойного лучепреломления" на Земле. Новый кристалл, который они разработали, обладает самой высокой степенью двойного лучепреломления, превосходящей их предыдущий рекорд. Это открытие может привести к инновациям в различных областях, таких как ночное видение, лидары, химическое зондирование, микроскопия и другие.

Для лучшего понимания, почему двойное лучепреломление настолько важно, давайте рассмотрим, что происходит, когда свет переходит из одного материала в другой. При переходе света из воздуха в воду или из воды в стекло, его скорость замедляется, что приводит к изменению направления световых лучей. Это явление называется рефракцией.

Однако двойное лучепреломление происходит в анизотропных материалах, которые имеют различные свойства в зависимости от направления. В таких материалах световой луч делится на два луча, движущихся в разные стороны. Именно это явление команда ученых смогла усилить в своем новом кристалле.

Ученые были удивлены, обнаружив, что новый материал - сульфид стронция и титана (STS) - обладает в три раза более высоким двойным лучепреломлением, чем их предыдущий рекордсмен - сульфид бария и титана (BTS). Интересно, что оба кристалла имеют аналогичную структуру, поэтому ученые пока не могут объяснить, почему STS обладает более высокой степенью двойного лучепреломления.

Для разгадки этой загадки ученые провели исследование на атомном уровне сульфида стронция и титана. Они обнаружили, что в новом материале количество атомов стронция оказалось больше, чем они ожидали. Эта небольшая дополнительная горстка атомов имела огромное значение, так как она привела к гораздо большей повторяющейся структуре кристалла или периодичности, в отличие от единой неизменной структуры, присущей BTS.

Это открытие открывает новые перспективы в области материаловедения и оптики. Ученые будут продолжать исследования, чтобы полностью понять механизмы, лежащие в основе этого уникального свойства STS. Возможно, в будущем мы увидим еще больше инноваций и применений для этого материала, которые приведут к новым технологическим прорывам во многих областях науки и промышленности.

Источник:
Хонгян Мэй и др., Колоссальная оптическая анизотропия от модуляций атомного масштаба (Hongyan Mei et al, Colossal Optical Anisotropy from Atomic‐Scale Modulations), Advanced Materials (2023). DOI: 10.1002/adma.202303588

Лазер из органических полупроводников с электрической накачкой

Ученые из Сент-Эндрюса добились значительных результатов в разработке компактной лазерной технологии, одновременно открывая новые перспективы для использования органических полупроводников в лазерных устройствах. Лазеры уже широко применяются в различных областях, включая связь, медицину, геодезию, производство и измерения. Однако большинство существующих лазеров изготовлены из жестких и хрупких полупроводниковых кристаллов, что ограничивает их применение.

Органические полупроводники, с другой стороны, представляют собой новый класс электронных материалов, основанных на углероде. Они гибкие и способны излучать видимый свет. В настоящее время органические полупроводники широко используются в экранах OLED.

Однако органические полупроводниковые лазеры имели ограничение: для их накачки требовался другой лазер. Исследователи из Сент-Эндрюса смогли преодолеть это ограничение, разработав органический полупроводниковый лазер с электрической накачкой. Они создали OLED с рекордной светоотдачей и соединили его с полимерной лазерной структурой с резонатором. Полученный новый тип лазера излучает зеленый лазерный луч, состоящий из коротких импульсов.

В будущем такой лазер может быть интегрирован с OLED-дисплеями, что откроет новые возможности для связи между ними. Кроме того, он может быть использован в спектроскопии для обнаружения болезней и загрязнителей окружающей среды.

Профессор Ифор Самуэль, один из ученых, прокомментировал этот прорыв, отметив, что создание лазера с электрической накачкой из органических материалов было огромной проблемой для исследователей по всему миру. Он также добавил, что этот новый тип лазера потребляет меньше энергии при производстве и в будущем может генерировать лазерное излучение в широком диапазоне.

Источник:
Ифор Сэмюэл, Электрический органический лазер, использующий встроенную OLED-накачку (Ifor Samuel, Electrically driven organic laser using integrated OLED pumping), Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06488-5

Атомные часы: ещё точнее!

Атомные часы являются фундаментальным инструментом для измерения времени и синхронизации во многих областях науки и технологий. Они играют важную роль в навигации, телекоммуникациях, астрономии и других отраслях, где требуется высокая точность временных измерений. Поэтому постоянное стремление к улучшению точности атомных часов является важной задачей для научного сообщества.

Недавно международная исследовательская группа сделала значительный прорыв в разработке атомных часов нового поколения. Исследователи использовали европейский рентгеновский лазер XFEL для создания генератора импульсов на основе элемента скандия. Этот новый генератор имеет погрешность в одну секунду за 300 миллиардов лет, что в тысячу раз превышает точность нынешних стандартных атомных часов на основе цезия.

Стандартные атомные часы на основе цезия используют электроны в атомной оболочке элемента для генерации импульсов и измерения времени. Однако эти электроны имеют ограниченную точность, и дальнейшее улучшение становится сложной задачей. Поэтому ученые всего мира уже несколько лет работают над концепцией "ядерных" часов, которые используют переходы в атомном ядре вместо атомной оболочки.

Переходы в атомном ядре обладают более острыми резонансами, что делает их потенциально более точными для измерения времени. Однако возбуждение таких переходов является сложной задачей. В этом отношении команда исследователей в XFEL смогла возбудить переход в ядре элемента скандия, который обещает быть многообещающим для разработки новых атомных часов.

Использование скандия в качестве материала для генератора импульсов предоставляет уникальные возможности для достижения высокой точности. Скандий является доступным металлом, который может быть использован для создания стабильного кварцевого генератора микроволновых импульсов. Это открывает новые перспективы для дальнейшего улучшения точности атомных часов и развития новых методов измерения времени.

Этот прорыв в разработке атомных часов может иметь значительное влияние на множество областей, где требуется высокая точность временных измерений. Например, в навигации и глобальной позиционной системе (GPS) более точные атомные часы могут улучшить определение местоположения и повысить надежность системы. В научных исследованиях и астрономии более точные часы позволят более точно измерять временные интервалы и проводить более точные эксперименты.

Исследования в области атомных часов продолжаются, и научное сообщество ожидает еще больших прорывов в будущем. Улучшение точности атомных часов имеет важное значение для развития современных технологий и научных открытий.

Источник:
Юрий Швыдько, Резонансное рентгеновское возбуждение изомера скандия-45 для ядерных часов (Yuri Shvyd'ko, Resonant X-ray excitation of the nuclear clock isomer 45Sc), Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06491-w

Пассивное устройство опреснения от солнечного нагрева.

Морская вода, которая покрывает большую часть нашей планеты, представляет огромный потенциал для решения проблемы доступа к питьевой воде. Инженеры Массачусетского технологического института и Китая работают над созданием инновационного устройства, способного превращать морскую воду в питьевую с помощью солнечной энергии.

Их устройство, вдохновленное океаном, использует закрученные водовороты, чтобы обеспечить циркуляцию воды, подобную термогалинной циркуляции океана. Эта конфигурация, в сочетании с солнечным теплом, стимулирует испарение воды, оставляя соль. Затем полученный водяной пар может быть собран и конденсирован в виде чистой питьевой воды. Важно отметить, что остатки соли не накапливаются в системе, а циркулируют и выводятся из устройства.

Исследователи предполагают, что устройство, масштабированное для использования в домашних условиях, способно пассивно производить достаточное количество питьевой воды для удовлетворения потребностей небольшой семьи. Более того, такая система может быть полезна для автономных прибрежных поселений, где морская вода легко доступна.

Однако, в процессе тестирования устройства на крыше здания Массачусетского технологического института, возникла проблема с накоплением соли. Кристаллы соли засоряли систему через несколько дней, что требовало частой очистки и увеличивало общую стоимость системы.

Однако исследователи не останавливались на достигнутом и разработали новое решение с многослойной конфигурацией. В этот раз они добавили дополнительную функцию, которая помогала циркулировать поступающей воде и остаткам соли. Это предотвратило оседание соли и накопление ее на устройстве. Однако процесс опреснения воды происходил сравнительно медленно.

В последней версии устройства команде удалось создать конструкцию, которая обеспечивает высокую скорость производства питьевой воды и эффективное удаление солей. Это означает, что система может быстро и надежно производить питьевую воду в течение длительного периода времени.

Эти исследования представляют значительный прогресс в области преобразования морской воды в питьевую. Они не только открывают новые возможности для обеспечения доступа к питьевой воде, но и помогают сократить зависимость от ограниченных пресноводных ресурсов. Будущее этой технологии выглядит многообещающим и может иметь значительный положительный вклад в борьбу с проблемой доступа к питьевой воде во всем мире.

Источник:
Чжэньюань Сюй и его коллеги, Устойчивая к воздействию солей многоступенчатая солнечная дистилляция с термохалинной конвекцией (Zhenyuan Xu & colleagus, Extreme salt-resisting multistage solar distillation with thermohaline convection), Joule (2023). DOI: 10.1016/j.joule.2023.08.012

Импортозамещение по-индийски: разработка полного цикла производства силовой электроники.

Индийские исследователи из Индийского института науки (IISc) продолжают впечатлять нас своими инновационными разработками. На этот раз они создали полностью оригинальный силовой переключатель из нитрида галлия (GaN), который обладает потенциальными применениями в различных системах, таких как преобразователи мощности для электромобилей и ноутбуков, а также в беспроводной связи.

Исследователи IISc разработали весь процесс создания этого коммутатора, начиная от выращивания материала до изготовления устройства и его корпусирования. Они сосредоточились на использовании нитрида галлия в качестве строительного блока для электронных устройств, таких как сверхбыстрые зарядные устройства для электромобилей, телефонов и ноутбуков, а также в космических и военных приложениях, включая радары.

GaN-транзисторы обладают высокой производительностью и эффективностью, что делает их привлекательными для замены традиционных кремниевых транзисторов. Они способны значительно улучшить производительность и энергоэффективность электронных устройств. Это открывает новые возможности для разработки более мощных и эффективных систем.

Однако, несмотря на потенциал этой технологии, Индия сталкивается с ограничениями в импорте материалов и устройств. В настоящее время в Индии нет возможности для производства нитрида галлия в коммерческих масштабах. Это означает, что Индия пока не может полностью воспользоваться всеми преимуществами этой революционной технологии.

Команда исследователей из IISc также обратила внимание на то, что их ноу-хау производства этих устройств является тщательно охраняемым секретом. Они пока не опубликовали много исследований, посвященных деталям задействованных процессов. Это позволяет им сохранять конкурентное преимущество и защищать свои интеллектуальные права.

Для создания силового переключателя GaN команда исследователей использовала метод химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений. Этот метод был разработан и оптимизирован в течение десяти лет в лаборатории Шринивасана Рагхавана, профессора и председателя Центра нанонауки и инженерии. Он включает выращивание кристаллов сплава GaN слой за слоем на кремниевой пластине, что позволяет создать многослойный транзистор.

Весь процесс производства требует чистого помещения, чтобы избежать появления дефектов, вызванных условиями окружающей среды, такими как влажность или температура. Тщательное выполнение всех этапов процесса является ключевым для обеспечения высокой производительности и надежности устройства.

Исследования, проведенные командой IISc, открывают новые перспективы для применения нитрида галлия в электронике и энергетике. Эта технология обещает быть революционной и может привести к значительным улучшениям в различных отраслях, включая электромобили, беспроводную связь и космические приложения.

Источник:
Rijo Baby и др., 8 А, 200 В, нормально выключенный каскад GaN-on-Si HEMT: от эпитаксии до двойных импульсных испытаний (Rijo Baby et al, 8 A, 200 V normally-off cascode GaN-on-Si HEMT: From epitaxy to double pulse testing), Microelectronic Engineering (2023). DOI: 10.1016/j.mee.2023.112085

Технология производства устойчивого к высокоэнергетическим лазерам стекла.

Новая статья, опубликованная в журнале Light: Advanced Manufacturing, описывает новую технологическую цепочку, разработанную учеными под руководством профессора Чаояна Вэя и Цзянды Шао, которая позволяет изготавливать оптику из плавленого кварца с высокой устойчивостью к повреждениям. Это важное достижение, поскольку остаточные дефекты обработки значительно снижают порог лазерно-индуцированного повреждения оптики из кварцевого стекла (LIDT), что ограничивает ее производительность и срок службы в приложениях с высокоэнергетическими лазерами.

В новом процессе используется углекислотный лазер для абляции поверхности оптики равномерным слоем. Это позволяет точно удалить подповерхностные механические повреждения и поверхностные/подповерхностные загрязнения. Результаты исследования показывают, что оптика, изготовленная с использованием новой технологической цепочки, имеет значительно более высокий порог лазерно-индуцированного повреждения, чем оптика, изготовленная с использованием традиционных методов. Это означает, что оптика из плавленого кварца, произведенная с использованием этого нового процесса, будет иметь более длительный срок службы и лучшую производительность в высокоэнергетических лазерах.

Традиционные методы обработки оптики из плавленого кварца сосредоточены на эффективном управлении подповерхностными механическими повреждениями во время шлифования, но не всегда достигают желаемых результатов. Кроме того, традиционные методы полировки могут привести к загрязнению поверхности. Были разработаны методы постобработки, такие как травление на основе высокочастотного тока, для устранения загрязнений и подповерхностных механических повреждений, но они также могут вызывать появление новых дефектов.

Новая технологическая цепочка, основанная на использовании углекислотного лазера для абляции поверхности, предлагает более эффективный и точный способ удаления дефектов. Это открывает новые перспективы для производства оптики из плавленого кварца с высокой устойчивостью к повреждениям. Такие оптические компоненты будут иметь большую прочность и долговечность, что делает их идеальным выбором для приложений с высокоэнергетическими лазерами.

Источник:
Сяоконг Пэн и др., Лазерная характеристика дефектов и процесс удаления дефектов при производстве оптики из плавленого кварца с высоким порогом повреждения ультрафиолетовым лазером (Xiaocong Peng et al, Laser-based defect characterization and removal process for manufacturing fused silica optic with high ultraviolet laser damage threshold), Light: Advanced Manufacturing (2023)