Край Будущего

Методы измерения кислорода имеют множество критически важных областей применения: от анализа выхлопных газов до контроля качества продуктов питания и медикаментов. К тому же, мониторинг содержания кислорода в окружающей среде становится все более актуальным, особенно в условиях глобальных изменений климата и экологических кризисов. Поэтому точные и удобные сенсоры — это именно то, что нам нужно!

Недавно команда ученых из ETH Цюрих под руководством профессора Мáté Бездек представила революционный светочувствительный сенсор, который меняет правила игры. Этот новый сенсор не просто маленький и недорогой — он также довольно чувствителен и способен обнаруживать кислород в сложных газовых смесях даже в условиях повышенной влажности. А еще он минимально потребляет электроэнергию. Наверняка, это мечта, не так ли?

Лионель Веттштейн, аспирант группы профессора Бездека, отметил, что многие традиционные методы измерения кислорода часто заставляют нас выбирать между чувствительностью и надежностью. Например, одни сенсоры могут быть очень чувствительными к кислороду, но прихотливы в плане условий эксплуатации, в то время как другие менее чувствительны, но игнорируют мешающие газы.

Необходимость компактности, высоких показателей чувствительности и долговечности — вот что делает новое устройство настоящим универсалом. Это значит, что его можно использовать для анализа выхлопных газов автомобилей, мониторинга экологических систем, а также в портативных устройствах, которые могут применяться в реальном времени.

Команда создала сенсор, использующий уникальный подход с комбинированием диоксида титана и углеродных нанотрубок. Диоксид титана сам по себе не слишком эффективен при низких температурах, но добавление углеродных нанотрубок решает эту проблему, позволяя устройству работать при комнатной температуре. Этот умный ход, в сочетании с фотосенсибилизаторами, активно регулирует взаимодействие сенсора с кислородом, изменяя его электрическое сопротивление при наличии этого газа.

Команда уже подала заявку на патент и активно ищет партнеров для коммерциализации разработки. По данным аналитиков, рынок таких сенсоров может достигать 1,4 миллиарда долларов в год. К тому же, ученые не собираются останавливаться на кислороде: в планах исследовать возможности сенсоров для других экологических газов, таких как загрязнители на основе азота, которые, как известно, вызывают проблемы с переудобрением в сельском хозяйстве.

Нас ожидает захватывающее время. Этот миниатюрный, универсальный сенсор может стать важным шагом к более чистой планете и лучшему контролю за экологической ситуацией. Давайте надеяться, что благодаря таким новым технологиям мы сможем лучше заботиться о нашей окружающей среде и понять, как лучше управлять нашими ресурсами!

Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, демонстрирует метод сжатия электронных пучков, благодаря которому удалось генерировать импульсы мощностью в один петаватт и продолжительностью всего одну квадриллионную долю секунды. При этом электронные пучки несут ток силой в 100 килоампер.

Ключевым аспектом данного достижения стала технология чередующегося ускорения и сжатия. Исследователи применили стандартные магнитные «шиканы» для управления движением электронов и их сжатия в сверхкороткие пучки. Однако традиционный метод не позволял добиться предельной плотности, так как при резких изгибах электроны теряли часть своей энергии.

Чтобы преодолеть эту преграду, команда SLAC разработала уникальный подход: перед сжатием электронный пучок проходил через специальный магнит, позволяющий ему взаимодействовать с лазерным импульсом. Это создавало резкий «chirp» — градиент энергии внутри пучка, который затем использовался для более эффективного сжатия.

Повторяя этот процесс несколькими итерациями, ученые достигли рекордной длины пучка — всего 0,3 микрометра. Этот новый метод не только открывает путь к созданию крайне мощных рентгеновских лазеров, но и создает возможности для формирования мегамперных пучков электронов, способных разрывать виртуальные частицы из вакуума — явление, предсказанное квантовой теорией, но пока не наблюдавшееся экспериментально. Оно имеет потенциал для создания квантового компьютера, интернета и, возможно, чего-то еще более фантастического.

Следующий шаг команды заключается в усовершенствовании метода. Они намерены заменить лазер на плазменную ячейку, что позволит достичь еще более коротких пучков и приблизиться к созданию мегамперных электронных пучков.

В Вюрцбурге произошло нечто захватывающее: исследователи впервые экспериментально продемонстрировали квантовое торнадо в арсениде ниобия (TaAs). Это открытие не только подтверждает давно предсказанное явление, но и открывает новые горизонты для квантовых технологий. Давайте разберемся, о чем идет речь, и почему это так важно!

Представьте себе вихрь, закручивающийся в пространстве, и не просто в обычной среде, а в пространстве импульсов — области, где электроны ведут себя как волшебные заклинания, пронзающие мир квантовой физики. Ранее ученые знали, что электроны могут образовывать вихревые структуры в материалах, но то, что эти вихри существуют именно в пространстве импульсов, стало настоящим открытием!

Исследование, проведенное совместно с Кластером превосходства ct.qmat из Дрездена и при участии международных партнеров, стало важным вкладом в развитие науки. Под руководством доктора Максимилиана Юнцельманна, команда усовершенствовала метод угловой разрешающей фотоэмиссионной спектроскопии (ARPES). Этот метод позволяет исследователям "разглядывать" электронные структуры материалов, словно открывают новую главу в книге о квантовом мире.

Юнцельманн напомнил, что "ARPES дает нам прямое представление о электронной структуре материала в пространстве импульсов," и честно говоря, это звучит так, будто у ученых есть возможность заглянуть за завесу привычного мира!

Открытие квантового торнадо — это не просто научный фокус. Оно может прокладывать путь к новым квантовым технологиям, таким как орбитроника. Представьте систему, которая использует орбитальный момент электронов для передачи информации в электронных компонентах! Это может значительно сократить потери энергии, что является важной задачей в нашем углеродном мире.

Исследователи нацелены на то, чтобы выявить как можно больше квантовых явлений, что может привести к созданию новых, эффективных технологий. Возможно, мы на пороге квантовой революции, где квантовые вихри станут неотъемлемой частью электроники будущего.

Заключение

Квантовое торнадо в арсениде ниобия открывает двери в мир возможностей. Научные достижения команды из Вюрцбурга под руководством Юнцельманна дают надежду на будущее, в котором квантовые технологии могут изменить нашу жизнь так же, как когда-то электричество. Мы наблюдаем за тем, как наука дотягивается до пределов нашего понимания, и, несомненно, это только начало удивительного путешествия!

Компания SpaceX успешно доставила на стартовую площадку во Флориде ракету-носитель Falcon 9 с пилотируемым кораблем Crew Dragon C210 Endurance. Запуск миссии Crew-10 намечен на ночь 13 марта.

Если все пройдет согласно графику, Crew Dragon C210 Endurance доставит на Международную космическую станцию (МКС) космонавта «Роскосмоса» Кирилла Пескова, двух астронавтов NASA — Николь Айерс и Энн Макклейн, а также астронавта Японского агенства аэрокосмических исследований (JAXA), Такую Ониши.

Вскоре после прибытия экипажа Crew-10 на МКС астронавты NASA Сунита Уильямс и Барри Уилмор, которые провели на орбите более девяти месяцев вместо запланированных восьми дней из-за проблем с кораблем Starliner, наконец покинут станцию. В их возвращении на Землю им будут ассистировать члены миссии Crew-9: американский астронавт Ник Хейг и российский космонавт Александр Горбунов.

Группа астрономов и программистов из Швейцарии, Германии, США и Великобритании осуществила значительный прорыв в области анализа гравитационных волн. Они разработали искусственный интеллект (ИИ) под названием DINGO, способный мгновенно интерпретировать данные, поступающие от слияний нейтронных звезд. Этот прорыв может существенно улучшить возможности наблюдения за этими редкими, но крайне важными для науки событиями. Результаты исследования были опубликованы на платформе Nature.

Когда две нейтронные звезды сталкиваются, они генерируют гравитационные волны, распространяющиеся по бескрайним просторам Вселенной. Современные детекторы, такие как LIGO, Virgo и KAGRA, способны фиксировать эти волны, однако процесс их анализа требует чрезмерного времени. Традиционные методы обработки данных требуют значительных вычислительных ресурсов, что приводит к задержкам в получении результатов. Это, в свою очередь, затрудняет оперативное наведение телескопов на источники сопутствующих электромагнитных вспышек, таких как так называемая килоновая, возникающая в результате слияния звезд.

Международная группа учёных совместно с американскими IT-специалистами разработала нейросеть DINGO (DINGO-BN, Deep INference for Gravitational-wave Observations from Binary Neutron Stars), которая существенно сокращает время анализа — с нескольких часов до одной секунды. Данный ИИ позволяет не только быстро определять параметры системы, такие как массы и вращения нейтронных звёзд, но и более точно локализовать источник сигнала.

Развитие подобных методов открывает новые горизонты для астрономии. Обнаружение гравитационных волн в реальном времени предоставит астрономам возможность зафиксировать момент слияния и осуществить уникальные многоволновые наблюдения. Это особенно актуально для изучения килоновых и других всплесков, возникающих в результате столкновения нейтронных звезд.

«Наше исследование иллюстрирует высокую эффективность синергии передовых методов машинного обучения с физическими знаниями о Вселенной», — отметили авторы исследования.

Новое поколение научных нейросетей может стать стандартом в обработке гравитационных волн, позволяя осуществлять более глубокое изучение нейтронных звезд. Астрономы теперь располагают мощным инструментом, который открывает путь к постижению самых динамичных и загадочных процессов, происходящих во Вселенной.

Недавнее исследование, проведенное профессором Дэниелом Роксбери из Университета Род-Айленда и его аспирантом Асером Надимом, открывает новые горизонты в этой области. В их статье, опубликованной в журнале ACS Nano, ученые демонстрируют, как углеродные нанотрубки могут помочь в обнаружении тонких различий между близкородственными иммунными клетками.

Углеродные нанотрубки представляют собой структуры, состоящие из одного слоя углерода и обладающие уникальными физическими свойствами. Они такие маленькие, что в одну человеческую клетку может поместиться целых 150,000 этих нанотрубок! Уникальность нанотрубок заключается в их флуоресцентных свойствах: они излучают уникальный свет при воздействии инфракрасного света, что делает их идеальными для наблюдения за клетками.

Команда Роксбери и Надима изучала два типа макрофагов — M1 и M2, которые играют важную роль в борьбе с инфекциями и заживлении ран. С помощью углеродных нанотрубок и специализированного инфракрасного микроскопа они смогли обнаружить мельчайшие изменения в клетках. Каждая клетка излучает определенный свет — здоровые клетки сияют одним образом, а нездоровые или изменяющиеся клетки — совершенно другим.

Как только нанотрубки были добавлены к клеткам, исследователи собрали миллионы точек данных о клеточной активности. Именно здесь на помощь пришло машинное обучение: оно помогло анализировать данные и выявлять паттерны, указывающие на проблемы на клеточном уровне. Например, выяснили, что высокие уровни pH могут указывать на вероятность образования опухолей.

Сейчас команда работает над различием раковых и нераковых клеток, что может стать следующим шагом на пути к более раннему и точному диагностированию рака. Интересно, что нанотрубки имеют потенциал не только для диагностики рака, но и для раннего выявления болезней, таких как болезнь Альцгеймера.

Несмотря на то что результаты пока что на уровне лабораторных опытов, потенциал применять эти технологии в клинической практике огромен. С помощью углеродных нанотрубок мы могли бы значительно улучшить диагностику заболеваний и сделать её более доступной и быстрой.

На самом деле, по словам Надима, все эти заболевания имеют свои уникальные биомarkers, которые могут быть выявлены еще на самых ранних стадиях. Это означает, что у нас есть возможность создать мощный инструмент для ранней диагностики и бороться с болезнями еще до того, как они станут угрожающими.

Таким образом, ранняя диагностика на клеточном уровне может стать настоящим прорывом в медицине и подарить надежду миллионам людей