Край Будущего

Астрономы обнаружили вероятное объяснение разрыва в гигантской космической "нити" в нашей галактике Млечный Путь, используя рентгеновскую обсерваторию NASA "Чандра" и радиотелескопы.

Эта "нить", похоже, была поражена быстро движущейся и стремительно вращающейся нейтронной звездой, или пульсаром. Нейтронные звезды — это самые плотные известные звезды, образующиеся в результате коллапса и взрыва массивных звезд. В процессе этих взрывов они часто получают мощный толчок, который отправляет их с высокой скоростью от места взрыва.

Огромные структуры, напоминающие кости или змей, находятся вблизи центра галактики. Эти удлиненные образования наблюдаются в радиоволнах и пронизаны магнитными полями, которые располагаются параллельно им. Радиоволны возникают из-за энергичных частиц, спиралевидно движущихся вдоль магнитных полей.

На новом изображении показана одна из этих космических "костей", известная как G359.13142-0.20005 (сокращенно G359.13), с рентгеновскими данными от "Чандры" (выделены синим цветом) и радиоданными от радиомассива MeerKAT в Южной Африке (выделены серым цветом). Исследователи также называют G359.13 "Змеей".

При внимательном рассмотрении этого изображения можно заметить наличие разрыва или трещины в непрерывной длине G359.13, как это видно на снимке. Сочетание рентгеновских и радиоданных дает подсказки о причине этой трещины.

Теперь астрономы обнаружили рентгеновский и радио источник в месте разрыва, используя данные от "Чандры", MeerKAT и Очень большого массива Национального научного фонда. Вероятный пульсар, ответственный за эти радиосигналы и рентгеновские излучения, был обозначен. Возможный дополнительный источник рентгеновского излучения, расположенный рядом с пульсаром, может исходить от электронов и позитронов (античастиц электронов), которые были ускорены до высоких энергий.

Исследователи предполагают, что пульсар, вероятно, вызвал разрыв, врезавшись в G359.13 со скоростью от одного до двух миллионов миль в час. Это столкновение искажало магнитное поле в "нити", что также привело к искажению радиосигнала.

С длиной около 230 световых лет, G359.13 является одной из самых длинных и ярких структур в Млечном Пути. Для сравнения, в пределах этого расстояния от Земли находится более 800 звезд. G359.13 расположена примерно в 26 000 световых лет от Земли, недалеко от центра Млечного Пути.

Публикация взята с сайта: https://academic.oup.com/mnras/article/530/1/254/7613950?log...

Огонь, безусловно, является одним из величайших открытий человечества. Он сыграл ключевую роль в развитии общества, став основой для многих из самых трансформирующих изобретений — от приготовления пищи и ковки оружия до генерации энергии и работы автомобильных двигателей внутреннего сгорания.

Сегодня огонь продолжает открывать двери к самым передовым нанотехнологиям, которые разрабатываются для лечения рака и создания дыхательных сенсоров для раннего выявления диабета и других метаболических заболеваний.

Нанотехнологии проникают практически во все аспекты нашей повседневной жизни. Например, я ранее писал о нанотехнологиях, использованных в мРНК-вакцинах, которые помогли нам преодолеть пандемию, и участвовал в обсуждениях о том, как нанотехнологии влияют на наше вино, здоровье кишечника и климат.

К примеру, газовые датчики, содержащие наночастицы, созданные с помощью огня, могут использоваться для проверки отсутствия метанола в алкогольных напитках. Метанол — это крайне токсичный спирт, который стал причиной многочисленных отравлений по всему миру.

Огонь — это способ, с помощью которого производятся наиболее широко используемые наночастицы и, следовательно, нанотехнологии. Например, треть веса автомобильной шины составляет углеродные наночастицы, которые создаются с использованием огня. Эти наночастицы помогают укрепить шину. Белая краска, которую мы используем для стен, и покрытия на некоторых таблетках содержат наночастицы титана, полученные в результате горения. Аналогично, фумигированный кремний — необходимый для оптоволоконных систем связи и интернета — также создается в огне.

Как производятся нанотехнологии?
Но как же образуются наночастицы, которые в 80-100 тысяч раз меньше толщины человеческого волоса, внутри пламени?

Я специализируюсь на производстве наночастиц в огне, используя технологию под названием пиролиз с распылением в пламени.

В ходе моих исследований я сжигаю горючие химические вещества, содержащие целевые металлические элементы, чтобы сформировать свои наночастицы. Во время сгорания все окисляется: углерод превращается в CO2, водород — в водяной пар, а металлические элементы — в металлические оксиды.

В течение миллисекунд, которые эти частицы металлического оксида проводят в огне, они сталкиваются и вырастают в нано- или микрочастицы. Я собираю эти частицы на фильтре, установленном над пламенем. Важные свойства, такие как размер и кристаллическая структура получаемых наночастиц, зависят от времени, проведенного частицами в огне.

Чем больше времени частицы проводят в кузнечном огне, тем крупнее они становятся. Мы также можем создавать сложные частицы, состоящие из нескольких элементов, сжигая смесь различных химических веществ. Этот процесс одновременно универсален и масштабируем — позволяя производить миллионы тонн наночастиц каждый год.

Преодоление ограничений!
Способность массово производить наночастицы стала одной из самых больших проблем в производстве нанотехнологий в больших масштабах. Это связано с тем, что большинство наночастиц, используемых в нанотехнологиях, можно создать только с помощью «мокрой химии» или с использованием жидкостей.

Процесс получения наночастиц из жидкостей в колбах может занимать часы: смешивание, нагрев, отделение и центрифугирование для получения лишь крошечных количеств материала. Эти процедуры зачастую слишком затратны и опасны для масштабирования, необходимого для жизнеспособной коммерциализации.

Например, квантовые точки (наночастицы, созданные из полупроводниковых материалов, обладающих как оптическими, так и электрическими свойствами) — открытие, отмеченное Нобелевской премией по химии в 2023 году. Эти наночастицы имеют потенциал революционизировать множество технологий, включая солнечные элементы, улавливание углерода и контрастные агенты, используемые в медицинской визуализации.

Тем не менее, квантовые точки практически не применяются в этих технологиях на большом масштабе, поскольку их производство с использованием мокрой химии может обойтись в колоссальные 45 000 долларов за грамм.

Однако в отличие от мокрой химии, огонь является простым, дешевым, масштабируемым и, что удивительно, безопасным процессом. Поэтому, когда разрабатываются методы, позволяющие производить высокоценные наночастицы, такие как квантовые точки, с помощью огня, затраты резко снижаются, и они становятся немедленно масштабируемыми и интересными для промышленности.

Тем не менее, огонь также может производить вредные частицы и побочные продукты.

Например, если вы положите салфетку перед выхлопом вашего автомобиля, на ней накопится черный налет. Этот черный осадок — сажа, образующаяся в результате горения внутри двигателя. Аналогично, курение сигарет приводит к образованию сажи и ее накоплению в легких курильщика, что часто вызывает рак.

Сажа также, по некоторым оценкам, является третьим по величине источником глобального потепления после углекислого газа и метана. Однако эти оценки могут недооценивать истинный вклад сажи в парниковые эффекты.

Технология пиролиза с распылением в пламени также использовалась для моделирования условий горения, чтобы более точно изучить влияние образующейся сажи, а также протестировать изменения процесса, которые могли бы практически исключить выбросы сажи. Например, одно из исследований показало, что инъекция воздуха после сгорания реактивного топлива может снизить выбросы сажи более чем на 90 процентов. Пиролиз с распылением в пламени может оставаться полезным инструментом для исследования воздействия загрязнений.

Будущее наночастиц.
Однако не все наночастицы могут быть произведены с помощью огня. Поэтому исследования, направленные на поиск новых рецептов и процессов для создания высокоценного материала, который в настоящее время невозможно получить с помощью огня, могут оказать значительное влияние.

Например, одной из основных задач моей текущей работы является исследование возможности использования огня для производства графена. Графен — это самый прочный материал, известный на наноуровне. Мои предыдущие работы показывают, что с помощью ультрафиолетового света графен может быть преобразован в прочные макроскопические структуры, что, возможно, позволит использовать его в 3D-печати.

Кроме того, существует огромный неиспользованный потенциал в наномедицине для интеграции наночастиц, которые уже можно производить с помощью огня. В настоящее время лишь около 30 типов наночастиц одобрены Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США — например, те, которые используются в вакцинах против COVID-19, а также железосодержащие наночастицы, применяемые для лечения анемии и заболеваний почек.

Все одобренные наномедикаменты вводятся инъекционно. Это оставляет много возможностей для исследования преимуществ неорганических наночастиц в медицине, особенно в области перорально применяемых терапий.

Более эффективный и экологически чистый подход к извлечению редкоземельных элементов, которые питают всё — от аккумуляторов электрических автомобилей до смартфонов, может увеличить внутренние запасы и сократить зависимость от дорогих импортных поставок.

Этот новый метод, разработанный исследователями Техасского университета в Остине, позволяет отделять и извлекать эти востребованные элементы в тех местах, где это было невозможно ранее, открывая новые горизонты для добычи редкоземельных элементов на фоне глобальных торговых напряжений.

«Редкоземельные элементы являются основой современных технологий, однако их извлечение и очистка требуют значительных энергетических затрат и крайне сложны для реализации на необходимых масштабах», — отметил Маниш Кумар, профессор в Инженерной школе Кокрелла, в отделах гражданского, архитектурного и экологического инженерного дела, а также химического инженерного дела. «Наша работа направлена на изменение этой ситуации, вдохновленная природой».

Исследование опубликовано в журнале ACS Nano. Ученые разработали искусственные мембранные каналы — крошечные поры, встроенные в мембраны, которые имитируют избирательные механизмы транспортировки, присущие транспортным белкам в биологических системах. Эти каналы служат своеобразными магистралями для перемещения различных ионов между клетками.

Каждый канал уникален и пропускает только ионы с определенными характеристиками, удерживая другие. Эта избирательность имеет решающее значение для многих биологических процессов, включая работу нашего мозга.

Искусственные каналы исследователей используют модифицированную версию структуры, называемой пилареном, чтобы повысить свою способность связываться и блокировать определенные общие ионы, одновременно транспортируя специфические редкоземельные ионы. В результате получается система, способная избирательно транспортировать средние редкоземельные элементы, такие как европий (Eu3+) и тербий (Tb3+), исключая другие ионы, такие как калий, натрий и кальций.

«Природа совершенствует искусство избирательного транспорта через биологические мембраны», — сказал Венкат Ганесан, профессор в отделе химического инженерного дела McKetta и один из руководителей исследования. «Эти искусственные каналы действуют как крошечные стражи, позволяя проходить только желаемым ионам».

Редкоземельные элементы делятся на несколько классов (лёгкие, средние и тяжёлые), каждый из которых обладает различными свойствами, что делает их идеальными для определенных применений. Средние элементы используются в освещении и дисплеях, включая телевизоры, а также в качестве магнитов в технологиях зеленой энергии, таких как ветряные турбины и аккумуляторы электрических автомобилей.

Министерство энергетики США и Европейская комиссия определили несколько средних элементов, включая европий и тербий, как критически важные материалы, подверженные риску перебоев в поставках. С учетом того, что спрос на эти элементы ожидается на уровне свыше 2600% к 2035 году, поиск устойчивых способов их извлечения и переработки становится более актуальным, чем когда-либо.

В ходе экспериментов искусственные каналы продемонстрировали 40-кратное предпочтение к европию по сравнению с лантаном (лёгким редкоземельным элементом) и 30-кратное предпочтение к европию по сравнению с иттербием (тяжёлым редкоземельным элементом). Эти уровни избирательности значительно выше тех, которые достигаются традиционными растворимыми методами, требующими десятки этапов для получения аналогичных результатов.

С помощью передовых компьютерных симуляций исследователи выяснили, что избирательность каналов определяется уникальными взаимодействиями, опосредованными водой, между редкоземельными ионами и самим каналом. Эти взаимодействия позволяют каналам различать ионы на основе их динамики гидратации — того, как молекулы воды окружают и взаимодействуют с ионами.

Кумар и его команда работают над этим исследованием более пяти лет. Он является экспертом в области мембранных разделений, применяя свои знания также для генерации чистой воды.

Ученые предвидят интеграцию своей технологии в масштабируемые мембранные системы для промышленного использования. Цель состоит в том, чтобы упростить процесс разделения ионов в США, используя чистую энергию. Они разрабатывают платформу для этих каналов, которая позволит пользователям выбирать различные ионы для сбора. Это может включать и другие критически важные минералы, такие как литий, кобальт, галлий и никель.

«Это первый шаг к переносу сложных стратегий молекулярного распознавания и транспорта, присущих природе, в надежные промышленные процессы, что позволит добиться высокой избирательности в условиях, где существующие методы не справляются», — отметил Харакрушна Бехера, научный сотрудник лаборатории Кумара, принимавший участие в проекте.

В команду входят исследователи из Департамента гражданского, архитектурного и экологического инженерного дела имени Фариборза Маси, Департамента химического инженерного дела имени Маккетты и Департамента химии Колледжа естественных наук. В состав команды входят Тайлер Дж. Дункан, Лакшмичарана Саминени, Хёнджи О, Анкит Джогдан, Арнав Карник, Раман Дхиман, Аида Фика и Цзу-Юн Хсие.

Публикация взята с сайта: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.4c17675

Квантовый компьютер способен решать задачи оптимизации быстрее, чем классические суперкомпьютеры, что известно как «квантовое преимущество», и это было продемонстрировано исследователем из Университета Южной Калифорнии в недавней статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

Исследование показывает, как квантовый отжиг, специализированная форма квантовых вычислений, превосходит лучшие существующие классические алгоритмы при поиске близких к оптимальным решений для сложных задач.

«Квантовый отжиг работает, находя состояния с низкой энергией в квантовых системах, которые соответствуют оптимальным или близким к оптимальным решениям решаемых задач», — отметил Дэниел Лидар, автор статьи и профессор электротехники и вычислительной техники, химии, а также физики и астрономии в Инженерной школе USC Витерби и Колледже искусств и наук USC Дорнсиф.

Приблизительная оптимизация.
Ученые на протяжении многих лет пытались продемонстрировать квантовое преимущество в масштабах (где квантовое преимущество увеличивается с ростом размера задачи) с использованием квантового отжигания. Долгое время считалось, что квантовый отжиг может предложить вычислительные преимущества для оптимизации, но убедительные доказательства улучшения масштабируемости по сравнению с классическими методами оставались недоступными. Это исследование смещает фокус с точной оптимизации (где квантовое преимущество остается недоказанным) на приблизительную оптимизацию, область с широким применением в промышленности и науке.

Квантовый отжиг — это специфический тип квантовых вычислений, который использует принципы квантовой физики для нахождения высококачественных решений сложных задач оптимизации. Вместо того чтобы требовать точных оптимальных решений, исследование сосредоточилось на поиске решений в пределах определенного процента (≥1%) от оптимального значения.

Многие реальные задачи не требуют точных решений, что делает этот подход практически актуальным. Например, при определении, какие акции включить в паевой инвестиционный фонд, часто достаточно просто превзойти ведущий рыночный индекс, а не обойти каждый другой портфель акций.

Чтобы продемонстрировать алгоритмическое квантовое преимущество, исследователи использовали квантовый процессор D-Wave Advantage, специализированное устройство квантовых вычислений, установленное в Институте информационных наук USC. Как и в случае со всеми современными квантовыми компьютерами, шум играет значительную роль в разрушении квантового преимущества в квантовом отжигании.

Для преодоления этой проблемы команда внедрила технику, известную как коррекция квантового отжигания (QAC), на процессоре D-Wave, создав более 1300 логических кубитов с подавлением ошибок. Это подавление ошибок стало ключевым для достижения преимущества над параллельным темперированием с изоэнергетическими кластерными перемещениями (PT-ICM), наиболее эффективным классическим алгоритмом для сопоставимых задач.

Показатели «времени до epsilon».
Исследование продемонстрировало квантовое преимущество, используя несколько исследовательских методов и сосредоточившись на семействах двумерных задач спинового стеклянного типа с высокоточным взаимодействием.

«Задачи спинового стекла представляют собой класс сложных задач оптимизации, которые происходят из статистических физических моделей неупорядоченных магнитных систем», — пояснил Лидар.

Вместо того чтобы искать точные решения, исследователи оценили показатели «времени до epsilon», измеряя, как быстро каждый подход может находить решения в пределах заданного процента от оптимального ответа.

Ученые намерены расширить свои выводы на более плотные, многомерные задачи и исследовать применение в реальной оптимизации. Лидар отметил, что дальнейшие улучшения в квантовом оборудовании и подавлении ошибок могут усилить наблюдаемое преимущество.

«Это открывает новые пути для квантовых алгоритмов в задачах оптимизации, где близкие к оптимальным решениям вполне достаточно».

Первые микроорганизмы получали свою энергию от геохимических реакций. Этот относительно простой, первичный метаболический путь ацетил-КоА сохранился во многих микроорганизмах до наших дней.

Чтобы глубже понять метаболизм, вероятно, одних из первых живых организмов на Земле, команда исследователей ЛМУ под руководством профессора Уильяма Орси из Отдела наук о Земле и окружающей среде создала лабораторные симуляции условий на молодой Земле, существовавших около 4-3.6 миллиардов лет назад.

Эти условия имели некоторые сходства с теми, что наблюдаются сегодня в гидротермальных источниках на дне океана, известных как «черные курильщики», с ключевым отличием: древние океаны были насыщены растворенным железом.

Сильный рост без добавления питательных веществ.
В ходе лабораторного эксперимента исследователи создали миниатюрные версии таких «черных курильщиков». Как это происходит естественным образом на дне моря, в условиях высоких температур происходили геохимические реакции между железом и серой, в результате которых образовывались минералы железистого сульфида, такие как макинваит (FeS) и грейгит (Fe3S4), что приводило к образованию водорода (H2).

В этих «химических садах» одноклеточный архей "Methanocaldococcus jannaschii" не только смог выжить, но и превзошел ожидания исследователей: «Помимо значительного увеличения экспрессии некоторых генов метаболизма ацетил-КоА, археи на самом деле росли экспоненциально», — объясняет Ванесса Хельмбехт, главный автор исследования, опубликованного в журнале Nature Ecology & Evolution.

«Сначала мы ожидали лишь незначительного роста, так как не добавляли никаких дополнительных питательных веществ, витаминов или микроэлементов в эксперимент». Таким образом, одноклеточный организм продемонстрировал высокую способность использовать водород, образующийся в результате абиотического осаждения железистых сульфидов, в качестве источника энергии.

Изолированный из осадков гидротермальных источников на дне океана, гипертермофильный микроорганизм "Methanocaldococcus jannaschi"i служит модельным организмом для метаногенеза через метаболический путь ацетил-КоА. Этот микроорганизм, адаптированный к экстремальным условиям!

«Для культивирования мы получили доступ к современным лабораториям Центра архей в Университете Регенсбурга, где профессор Дина Грохман и доктор Роберт Рейхельт оказали нам ценную поддержку. Это было очень важно для подготовки экспериментов в химических садах», — говорит Орси.

Самый древний метаболический процесс в эволюционной истории.
В химических садах клетки всегда оставались в непосредственной близости к частицам макинваита. Это соответствует ископаемым свидетельствам, где некоторые геологические отложения таких минералов из ранней истории Земли содержат следы первых микробных форм жизни.

Исследователи делают вывод из результатов работы, что химические реакции, происходившие во время осаждения минералов железистого сульфида около 4 миллиардов лет назад, генерировали достаточное количество энергии для выживания самых первых клеток и тем самым заложили основы для водородозависимого метаболизма первых микробов на молодой Земле. Соответственно, эта форма метаногенеза, основанная на водороде, производимом неорганически через химические реакции, является самым древним известным способом генерации энергии в эволюционной истории.

Космос — следующая граница.
Геобиологи ЛМУ теперь задаются вопросом, могут ли наблюдаемые ими метаболические процессы также происходить за пределами нашей планеты и существуют ли, таким образом, экзотеррестриальные среды обитания для архей — например, на Энцеладе. NASA уже рассматривает этот спутник Сатурна как кандидата на существование возможной жизни, поскольку ученые подозревают наличие гидротермальной активности между его каменным ядром и жидким «содовым океаном» под ледяной коркой.

«В нашем следующем исследовании мы смоделируем условия Энцелада в лаборатории и проверим, способны ли археи выживать и развиваться там», — говорит Хельмбехт.

Публикация взята с сайта: https://www.nature.com/articles/s41559-025-02676-w

Электролизеры представляют собой устройства, способные разложить воду на водород и кислород с использованием электрической энергии в процессе, известном как электролиз. В будущем эти устройства могут занять центральное место в производстве водорода из воды, что является ценным решением для множества применений, включая питание топливных элементов и декарбонизацию энергетических систем.

В основе процесса электролиза воды лежат электрохимические реакции, именуемые реакциями эволюции водорода (HER). В щелочных условиях эти реакции, как правило, протекают медленно, что, в свою очередь, ограничивает эффективность работы электролизеров.

В последние годы исследователи в области энергетики стремятся разработать новые интерфейсы между электродом и раствором или выявить новые катализаторы, способные ускорить HER и, таким образом, повысить производительность электролизеров в производстве водорода. Одним из наиболее широко используемых катализаторов для HER на сегодняшний день является платина, однако её эффективность ограничена процессом, известным как связывание водорода. Этот процесс подразумевает сильное прилипание атомов водорода к поверхности платины, что может блокировать реакционные центры и замедлять HER.

Недавние исследования, проведенные в Пекинском университете, Пекинской национальной лаборатории молекулярных наук и других китайских институтах, представили новую стратегию молекулярного проектирования, которая, как выяснили ученые, ускоряет HER на платиновых электрокатализаторах. Эта стратегия, описанная в статье, опубликованной в журнале Nature Energy, заключается во введении органических покрытий — тонких молекулярных слоев, которые прикрепляются к поверхности электродов.

"Модификации поверхности электродов использовались для ускорения HER, однако эффективные руководящие принципы отсутствуют," — отмечают Кайюэ Чжао, Ниньяо Сян и их коллеги в своей статье. "Мы разработали стратегию молекулярного проектирования, которая позволяет увеличить активность HER в щелочной среде до 50 раз за счет введения органического покрытия на платиновые электроды."

Предложенная исследователями стратегия молекулярного проектирования модифицирует взаимодействия на поверхности платиновых катализаторов, ослабляя связывание атомов водорода и ускоряя HER. Для проверки её потенциала и эффектов команда провела серию экспериментов, применив эту стратегию к реальным электролизерам с конфигурацией мембранного электродного узла (MEA).

"Мы обнаружили, что увеличение активности HER за счет органических адсорбентов коррелирует с их энергиями связывания с платиновыми электродами; энергия связывания может быть настроена путём изменения количества ароматических колец и гидрофильности адсорбентов," — отмечают Чжао, Сян и их коллеги.

"Расчеты методом плотностного функционала показывают, что покрытие привело к снижению центра d-области, что, в свою очередь, ослабило адсорбцию водорода и уменьшило его чрезмерное связывание с платиной. Важно отметить, что мы продемонстрировали усиливающее воздействие покрытия 2,2′-бипиримидина на Pt/C в водном электролизере с конфигурацией мембранного электродного узла, подтвердив его эффективность на уровне устройства."

В первых экспериментах стратегия, разработанная этой командой исследователей, оказалась способной ослабить поглощение водорода в электролизерах с платиновыми катализаторами, ускоряя скорость HER. В будущем предложенная стратегия может быть также применена к другим катализаторам, выходящим за пределы платины, что потенциально будет способствовать развитию электролизеров и облегчению их широкомасштабного развертывания.