Край Будущего

Исследование провели в Центре нейробиологических исследований изображений (CNIR) при Институте фундаментальных наук (IBS) в сотрудничестве с Университетом Сунгкюнкван (SKKU). Результаты опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.

Биологические ткани, такие как сердце, мозг и мышцы, мягкие, подвижные и изогнутые. Существующие биоэлектронные устройства часто кажутся чужеродными, вызывая воспаление, плохую адгезию и нестабильные сигналы. Даже ультратонкие из них требуют клеев, подложек или опор.

Команда задалась вопросом: что, если устройство становится мягким и самоклеящимся только при контакте с тканью? Это привело к THIN — наномембране без подложки, которая самоклеится к влажной ткани без швов или давления. Она адаптируется к микроскопически изогнутым поверхностям, поддерживая длительный контакт.

THIN состоит из двух слоев: гидрогеля (альгинат, конъюгированный с катехолом, Alg-CA) для адгезии и полупроводникового эластомера P(g2T2-Se) для проводимости. При увлажнении жесткость уменьшается в миллион раз (до 9,08 × 10⁻⁶ ГПа⋅м²), позволяя обхватывать поверхности с радиусом кривизны менее 5 мкм — она становится механически незаметной.

Полимер P(g2T2-Se) показывает рекордное произведение подвижности на емкость (μC*) — 1034 Ф⋅см⁻¹⋅В⁻¹⋅с⁻¹, в 3,7 раза выше, чем у обычных материалов. Это обеспечивает высокую ионно-электронную связь для органических электрохимических транзисторов (OECT), усиливающих биосигналы даже при растяжении.

В экспериментах на грызунах THIN мгновенно прикреплялось к сердцу, мышцам и коре мозга, регистрируя электрокардиограммы (EGM), электромиограммы (EMG) и электрокортикограммы (ECoG) с высокой точностью. Устройства оставались стабильными и биосовместимыми более четырех недель без воспалений.

"Наша платформа THIN-OECT — как нанокожа: невидимая для тела, механически неощутимая и электрически мощная, — сказал профессор Дж. Сон Донхи. — Это открывает перспективы для интерфейсов мозг-машина, мониторинга сердца и нейропротезирования".

В отличие от систем на эластомерных подложках, THIN автономен, работает на наноуровне и исключает неопределенности сигналов. Она усиливает сигналы прямо на месте контакта, устраняя нужду во внешних усилителях, и подходит для импантируемых, носимых или инъекционных устройств.

Будущие разработки включают многоканальные матрицы THIN с беспроводной связью для замкнутых интерфейсов мозг-машина, реабилитационной робототехники и биорезорбируемых версий для минимально инвазивного применения.

Астрономы из Института ядерной физики Макса Планка и их коллеги обнаружили новый источник гамма-излучения в окрестностях звездного скопления Вестерлунд 1, проливая свет на механизмы ускорения космических лучей и образования гигантских "суперпузырей". С помощью данных с телескопов H.E.S.S. и Fermi, исследователи связали асимметричную структуру гамма-излучения с оттоком вещества из скопления, которое проталкивает частицы за пределы галактического диска. Это открытие подтверждает роль молодых массивных скоплений в транспорт космических лучей, влияя на понимание эволюции галактик.

Звездные скопления играют ключевую роль в жизни галактик, служа местом рождения новых звезд. Часто они содержат массивные звезды — с массой в десятки солнечных — чьи мощные stellarные ветры коллективно создают "суперпузыри": гигантские полости в межзвездной среде, очищенные от газа и пыли. Эти скопления также являются источниками высокоэнергетических частиц — космических лучей, — но изучать их напрямую сложно из-за отклонения заряженных частиц магнитными полями. Вместо этого астрономы фокусируются на гамма-излучении высокой энергии, которое космические лучи генерируют и которое распространяется по прямым линиям.

В Млечном Пути выделяется скопление Вестерлунд 1: ближайшее и самое массивное из известных массивных скоплений, расположенное примерно в 13 000 световых годах от Земли. Оно ярко светится и активно рождает звезды, производя множество космических лучей. Ранние наблюдения с помощью системы телескопов H.E.S.S. подтвердили присутствие тераэлектронвольтного (ТэВ, 10¹² эВ) гамма-излучения вокруг Вестерлунд 1, проявляющегося как кольцеобразная структура. Это излучение связано с ускорением частиц на фронте ударной волны от коллективного ветра звезд. Однако кольцо было асимметричным: с "хвостом" в одном направлении, причины которого оставались загадкой.

Теперь международная команда астрономов во главе с профессором Марианной Лемуан-Гумар из университета Бордо и доктором Ларсом Мурманом из H.E.S.S. collaboration представила новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications. Используя данные космического гамма-телескопа Fermi, чувствительного к гигаэлектронвольтным (ГэВ, 10⁹ эВ) энергиям, ученые обнаружили дополнительный источник гамма-излучения на расстоянии около 320 световых лет от Вестерлунд 1 — именно в направлении хвоста ТэВ-структуры.

"Это гамма-излучение сильно связано с наблюдаемым ТэВ-излучением по пространственным характеристикам и спектрам, что указывает на общее происхождение", — объясняет Лемуан-Гумар, первый автор работы. Дополнительные наблюдения на 21-сантиметровой линии водорода выявили дефицит плотности газа в области нового источника, совпадающий с положением гамма-излучения. Это позволило предположить, что мы наблюдаем отток вещества из скопления, проталкивающий частицы от плоскости галактики и формирующий полость.

Моделирование показывает, что оба типа гамма-излучения возникают от электронов космических лучей, ускоренных на фронте ударной волны вблизи Вестерлунд 1 через процесс обратного комптоновского рассеяния. Высокоэнергетичные электроны испускают ТэВ-излучение рядом со скоплением, теряя энергию быстро. Более низкоэнергетичные электроны перемещаются дальше по потоку, генерируя ГэВ-излучение на большом расстоянии. Однако эти электроны сопровождаются другими компонентами космических лучей — протонами и тяжелыми ядрами.

"Это открытие — первое наблюдательное подтверждение сценария, где суперпузырь вокруг массивного скопления асимметрично расширяется из-за градиента плотности среды, формируя зарождающийся отток", — добавляет Люсия Харер, докторантка в MPIK, разработавшая теоретическую модель.

Ученые предполагают, что такой поток через миллионы лет вырвется за пределы галактического диска, открыв канал для переноса космических лучей в галактическое гало. Этот процесс важен для эволюции галактик, но ранее не имел подтверждений. "Результаты подчеркивают, что потоки частиц могут быть распространены вокруг молодых массивных скоплений", — отмечает Мурман.

Будущие наблюдения с помощью Cherenkov Telescope Array и исследований других скоплений помогут определить, является ли открытие у Вестерлунд 1 уникальным или типичным. Это исследование не только уточняет механизмы звездных скоплений, но и расширяет наше видение космоса.

Учёные-планетологи из США, Чехии и Аргентины, используя суперкомпьютерное моделирование, раскрыли неожиданную структуру внутренней части облака Оорта — гигантского скопления ледяных тел на окраинах Солнечной системы. Оказалось, что она не является ни сферой, ни плоским диском, а представляет собой долгоживущую спиральную формацию с двумя рукавами. Эта структура формируется под влиянием гравитационных взаимодействий Солнца, планет и галактических сил. Хотя облако Оорта остаётся недоступным для прямого наблюдения, его наличие подтверждается анализом траекторий прилетающих комет. Аналогичные структуры выявлены вокруг других звёзд, что подкреплляет гипотезу о существовании подобных объектов в Млечном Пути. Исследование проливает свет на эволюцию Солнечной системы и может указывать на наличие невидимых планет поблизости.

Облако Оорта — это гипотетическое (основанное на научных доказательствах) скопление ледяных астероидов и кометных ядер, простирающееся от границы орбиты Нептуна на расстоянии около 5000 астрономических единиц (а.е., примерно 0,08 световых лет) до 1–2 световых лет от Солнца. Его существование постулируется ещё в 1950-х годах Эриком Оортом, основываясь на том, что многие долгопериодические кометы приходят "из ниоткуда" — с далёких траекторий, не связанных с известными регионами Солнечной системы. Аналогичные образования, известные как рассеянный диск или облако Хилла, обнаружены астрономами вокруг других звёзд, что укрепляет вероятность существования облака Оорта вокруг нашего Солнца.

Новое исследование, проведённое международной командой планетологов, использовало мощные суперкомпьютеры для симуляции гравитационных взаимодействий. Они смоделировали, как планетарные возмущения, притяжение Млечного Пути и пролёты близких звёзд сформировали внутреннюю часть облака около 4,6 миллиарда лет назад — во времена рождения Солнечной системы. Результаты показали, что эта область не хаотична, а организована в стабильную спиральную структуру с двумя рукавами, которая сохраняется миллиарды лет.

Ранее учёные полагали, что внутреннее облако Оорта представляет собой сферическую оболочку или плоский диск, параллельный плоскости эклиптики, где тела сильнее подвержены влиянию Солнца, чем звёзд. Однако симуляции выявили более сложную динамику: гравитационные эффекты, включая влияние гигантских планет (вспомним теорию Планеты Девять — гипотетической десятой планеты), создают устойчивую спираль. Эта структура влияет на орбиты внутренних тел, делая их менее подверженными внешним возмущениям, в отличие от внешней части облака, считавшейся основным источником долгопериодических комет (с периодом обращения более 200 лет).

В 2023 году другие исследователи высказали предположение, что в облаке Оорта могут скрываться неизвестные планеты, никогда не освещаемые Солнцем, — в дополнение к возможным Планете Девять (или Планете X) и ещё одному объекту (Планете 10). Это исследование усиливает интерес к теме, подчёркивая, что Солнечная система может быть гораздо более разнообразной, чем предполагалось.

К сожалению, прямые наблюдения внутренней структуры облака Оорта невозможны: ледяные тела не отражают солнечный свет и не видны с Земли. Однако косвенные доказательства уже существуют. Ранее астрономы выявили группу долгопериодических комет, чьи афелии (наиболее далёкие от Солнца точки орбит) сосредоточены в так называемой "пустой эклиптике" — регионе, где орбиты редко пересекаются с плоскостью эклиптики. Это может быть следом спиральной структуры, которая формирует такие кластеры.

"Моделирование показывает, что спираль не только стабильна, но и эволюционирует крайне медленно, — отмечает один из участников исследования из Университета Йиля (Чехия). — Это помогает понять, как наша Солнечная система развивалась под влиянием галактических факторов, и может натолкнуть на поиски подобных структур у звёзд Млечного Пути".

Поиск таких формаций вокруг других звёзд также сталкивается с трудностями, так как они не светятся самостоятельно. Тем не менее, косвенные методы, такие как анализ блеска звёзд при прохождении объектов по диску или изучение кометных потоков, могут в будущем подтвердить открытия. В итоге, это исследование не только уточняет картину далёкой "окраины" нашей системы, но и открывает путь к изучению планетарных систем за пределами Земли.

На протяжении примерно 2 миллиардов лет ранней истории Земли атмосфера не содержала кислорода, важнейшего компонента для сложной жизни. Кислород начал накапливаться во время Великого окислительного события (ГЭ, Great Oxidation Event), но когда и как он впервые появился в океанах, оставалось неясным. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показывает, что кислород был поглощён из атмосферы мелководными океанами всего за несколько миллионов лет — геологическое мгновение. Работа учёных из океанографического института Вудс-Хоул (WHOI) даёт новое понимание одного из ключевых экологических сдвигов в истории Земли.

"На том этапе истории Земли, когда атмосферные уровни кислорода начали подниматься, почти вся жизнь обитала в океанах. Для развития сложной формы жизни организмы должны были научиться не только использовать кислород, но и переносить его", — сказал Энди Херд, ведущий автор исследования и ассистент научного сотрудника WHOI. "Это исследование помогает понять, как планета Земля стала пригодной для жизни, как мы её знаем, и может дать ключ к пониманию других планет".

Исследователи проанализировали черные сланцы, богатые органическим веществом, из месторождения Понгола в Южной Африке. Эти породы сформировались во время ГЭ около 2,4 миллиарда лет назад. Они содержат индикаторы вроде отношения стронция-87 к стронцию-86 (Sr-87/Sr-86) и фракционирования серы, которые указывают на повышение кислорода в атмосфере, но не показывают наличие кислорода в океанах.

Учёные использовали новые геохимические методы для анализа относительного содержания стабильных изотопов ванадия: V-51 и V-50. Они обнаружили резкое изменение в этих изотопах до и после стратиграфического уровня насыщения атмосферы кислородом, что свидетельствует о быстром насыщении океанов кислородом.

"Южная Африка — одно из немногих мест на Земле, где хорошо сохранились осадочные породы этого периода. Они содержат индикаторы повышения кислорода в атмосфере, такие как фракционирование серы и соотношения Sr-87/Sr-86, которые, к сожалению, ограничены временными рамками порядка 500 миллионов лет и не могут напрямую отслеживать кислород в океанах", — сказал Чед Острандер, специалист по изотопной геохимии из Университета Юты.

Метод с изотопами ванадия, применённый командой WHOI, позволяет более точно определить момент насыщения океанов кислородом: "Ванадий особенно эффективен, поскольку реагирует на высокие уровни растворенного кислорода. Это позволяет определить, когда содержание кислорода в океанах превысило примерно 10 микромолей на литр — несколько процентов от современного уровня", — сказала Сун Нильсен, один из первых исследователей, применивших этот метод в группе WHOI, и младший научный сотрудник института.

Для сравнения, в современных океанах около 170 микромолей на литр. Это важный шаг в насыщении Земли кислородом. Прежние оценки предполагали, что океаны могли оставаться без кислорода сотни миллионов лет после атмосферы, но новые данные показывают, что этот процесс занял всего несколько миллионов лет.

Эти результаты меняют наше понимание быстроты приспособления Земли к жизни. "Это исследование проясняет один из важнейших поворотных моментов в истории Земли", — сказал Херд. "И поскольку насыщение океана кислородом, по-видимому, на удивление быстро последовало за насыщением атмосферы кислородом, это говорит о том, что если мы обнаружим кислород в атмосфере далекой экзопланеты, то есть большая вероятность, что ее океаны также содержат кислород. Отслеживая появление кислорода в океанах, мы приближаемся к пониманию условий для сложной жизни — здесь и на других планетах".

Основным достижением стало увеличение емкости углеродных наностен путем обработки оптимальной дозой высокоэнергетических ионов аргона. Результаты работы опубликованы в журнале Scientific Reports.

В отличие от традиционных накопителей энергии, таких как литий-ионные батареи, суперконденсаторы способны накапливать или отдавать энергию почти мгновенно, что делает их идеальными для резких всплесков мощности — например, при старте автомобиля, подъеме тяжестей или перепадах напряжения в электросети. Когда избыточная энергия выделяется (как при торможении электропоезда), суперконденсатор может ее захватить для повторного использования.

По сравнению с литий-ионными аккумуляторами суперконденсаторы функционируют в более широком диапазоне температур, менее подвержены деградации, представляют меньший риск возгорания и проще поддаются переработке. Комбинация двух технологий продлевает срок службы и ускоряет зарядку литиевых батарей.

«Чем больше энергии смогут хранить суперконденсаторы, тем шире область их применения. Мы исследуем методы улучшения их свойств путем различных видов обработки углеродного материала электрода», — отмечает руководитель исследования, доцент кафедры материалов Сколтеха Станислав Евлашин.

«Ранее в этом году мы продемонстрировали, что емкость можно увеличить за счет внедрения атомов других элементов в углеродные наностены. Сейчас мы получили более значимый прирост, обработав углеродный материал ионами аргона на ускорителе. Мы выявили оптимальную дозу ионов для максимального формирования полезных дефектов без чрезмерного повреждения вещества».

Углеродные наностены можно визуализировать как вертикально ориентированные стопки из примерно 10–15 слоев графена.

Благодаря своей структуре углеродные наностены обладают большой удельной поверхностью, что обеспечивает высокую емкость источников энергии. Для дальнейшего улучшения свойств наностены обрабатывались имплантацией ионов аргона, вызывавшей появление дополнительной дефектов в материале.

Эти дефекты и их взаимодействие с функциональными группами при окислении на воздухе привели к улучшению электрохимических характеристик углеродных наностен.

Соавтор исследования Никита Орехов, заместитель руководителя лаборатории вычислительного проектирования материалов МФТИ, подчеркнул: «Атомистическое моделирование на суперкомпьютере помогло нам обнаружить специфические структурные изменения в углеродных наностенах после воздействия разными дозами ионного облучения.

"Как выяснилось, при оптимальных дозах около 1014 ионов на квадратный сантиметр в материале формируются особые дефекты — наноразмерные полости. Поскольку молекулы электролита имеют нанометровые масштабы, они способны проникать в эти пустоты. Таким образом, материал отличается не только большой удельной поверхностью, но и наноструктурой, дополнительно повышающей емкость".

По словам участников исследования, ионная имплантация — это отлаженная технология, широко используемая в микроэлектронике для активации кремния. Теперь она может способствовать разработке современных энергоносителей. Ионная обработка эффективна даже для углеродных материалов с изначально высоким качеством.

Стоит отметить, что такая методика позволяет улучшать углеродный материал в объеме, а не только на поверхности, благодаря высокой проникающей способности ионов.

«По сравнению с гетероатомами, которые мы раньше внедряли в углеродные наностены, дефекты создавать проще, поэтому вместо тонкого активированного слоя такой "активированный уголь" можно производить практически в промышленных объемах», — добавил Евлашин.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41598-025-03770-6

Астрономы, использующие телескоп «Субару» на Гавайях, в рамках программы OASIS совершили важное открытие, обнаружив массивную планету и коричневого карлика на орбитах вокруг далёких звёзд. Эта программа уникальна тем, что интегрирует высокоточные астрометрические данные миссий Hipparcos и Gaia Европейского космического агентства с передовой коронографической визуализацией на «Субару» с помощью системы SCExAO. Такой подход позволяет эффективно находить ранее скрытые массивные объекты, которые практически невозможно было обнаружить прямыми методами из-за их чрезвычайно низкой яркости по сравнению с материнскими звёздами.

Особое значение имеет открытие коричневого карлика HIP 99718 B. Этот объект обладает свойствами, которые делают его идеальной целью для будущих наблюдений с космического телескопа «Роман» НАСА. До сих пор у астрономов не было подтверждённой цели, удовлетворяющей всем требованиям для тестирования коронографов — технологий, необходимых для прямого изображения землеподобных планет, чья яркость может быть в десять миллиардов раз меньше, чем у их звёзд. HIP 99718 B, находящийся на подходящем расстоянии от яркой звезды, позволяет провести такие испытания с беспрецедентной точностью.

Эти результаты демонстрируют, что сочетание космической астрометрии и наземной адаптивной оптики открывает новые возможности в поиске и характеристике экзопланет и субзвёздных объектов. Программа OASIS подтверждает, что даже в условиях появления новых орбитальных телескопов наземные обсерватории, такие как «Субару», продолжают играть ключевую роль в решении самых сложных задач астрофизики.