Авторы данного исследования предложили рассматривать межмолекулярное взаимодействие как связь между волнами плотности заряда (электронов), а не частицами. По словам руководителя работ, профессора Люксембургского университета Александра Ткаченко, в классическом случае молекулы рассматриваются как две цепочки атомов, и в них определяются точки, которые притягиваются друг к другу. Затем просто суммируются все пары. Но на самом деле это не так, и вместо частиц необходимо рассматривать волны. Исследователи полагают, что такое принципиально новое представление поможет преодолеть разрыв между двумя перечисленными точками зрения на природу сил, а также поможет ученым понять и контролировать взаимодействие между объектами на наноуровне, поскольку обеспечивает количественно точную вычислительную основу для прогнозирования химических и физических свойств. По оценкам ряда специалистов эта работа может оказать существенное влияние как на понимание природы сил, так и на развитие наук о материалах и технологий.

РНК-вакцины против Covid-19 доказали свою эффективность в снижении тяжести заболевания. Теперь ученые из Массачусетского технологического института намерены сделать их еще лучше. С использованием белка C3d и модифицированных липидных наночастиц для доставки мРНК, исследователи в 10 раз усилили иммунный ответ у мышей. Этот метод потенциально применим и в лечении рака. РНК-вакцины состоят из цепи РНК, которая содержит информацию о белке вируса. Эта РНК упаковывается в липидную оболочку, которая защищает ее и помогает доставить в клетки организма. Внутри клеток РНК используется для создания вирусных белков, на которые иммунная система реагирует, производя антитела и активируя Т-клетки. Таким образом, организм готов более эффективно справиться с инфекцией, если человек впоследствии столкнется с вирусом SARS-CoV-2. Оригинальные РНК-вакцины против Covid-19 от Moderna и Pfizer/BioNTech вызывают сильный иммунный ответ, но команда MIT решила выяснить, смогут ли они сделать эти препараты эффективнее, придав им иммуностимулирующие свойства. 

Ученые применили две стратегии для усиления иммунного ответа. В первой стратегии они обратили внимание на белок C3d, который является частью иммунной системы. C3d помогает организму бороться с инфекциями, связываясь с антигенами и усиливая ответ антител на них. Многие годы ученые исследовали использование C3d как адъювант для вакцин от дифтерии, коклюша и столбняка. Адъюванты — это молекулы, которые обычно используются для усиления иммунного ответа на вакцины, но они еще не использовались в РНК-вакцинах. Ученые решили выяснить, сможет ли C3d также играть роль адъюванта в вакцинах мРНК против ковида. Они создали мРНК, которая кодирует слияние белка C3d с антигеном, так что оба компонента производятся одновременно в клетках, получающих вакцину. В качестве второй стратегии ученые модифицировали липидные наночастицы, используемые для доставки мРНК-вакцины, чтобы те не только доставляли мРНК, но и стимулировали усиленный иммунный ответ. Чтобы идентифицировать липиды, которые будут работать лучше всего, исследователи собрали библиотеку из 480 липидных наночастиц с различными типами химического состава. Все это «ионизируемые» липиды, которые приобретают положительный заряд при попадании в кислую среду. Оригинальные РНК-вакцины против Covid также включали некоторые ионизируемые липиды, поскольку они помогают наночастицам самособираться с РНК, а клеткам-мишеням усваивать вакцину.  

Исследователи протестировали свою новую вакцину, которая включала как кодируемый РНК C3d, так и высокоэффективный ионизируемый липид, выявленный в ходе скрининга библиотеки, на мышах. Они обнаружили, что мыши, которым вводили эту вакцину, вырабатывали в 10 раз больше антител, чем мыши, которым вводили неадъювантную РНК-вакцину Covid. Новая вакцина также вызвала более сильную реакцию среди Т-клеток, которые играют важную роль в борьбе с вирусом SARS-CoV-2. Когда исследователи ввели вакцину интраназально, они наблюдали такой же сильный иммунный ответ у мышей. Если интраназальная вакцина будет разработана для людей, она потенциально обеспечит усиленную защиту от инфекции, поскольку вирус, оказавшись на слизистой носа, даже не успеет попасть в организм. Эти вакцины также будут дешевле, поскольку они эффективны при более низкой дозе.Ученые изучают, может ли этот метод усилить иммунный ответ на другие типы РНК-вакцин, включая вакцины против рака. 

Найден молекулярный механизм, который замедляет заживление ран у людей с диабетом. Исследователи из Университета Питтсбурга показали, что снижение скорости заживления ран у людей с диабетом связано с нарушением функций экзосом. Это наноразмер.[intro]ные «частицы-посредники», выделяемые клетками в межклеточную среду. Исследование открывает новый подход для лечения ран при диабете. Исследователи собрали жидкость из повязок, наложенных методом отрицательного давления, на хронические раны 22 пациентов с диабетом и 15 пациентов без диабета. При такой терапии на рану накладывают специальную повязку и прикрепляют ее к мягкому вакуумному насосу. Снижение давления ниже атмосферного способствует заживлению ран за счет вытягивания жидкости и инфекций. В собранных материалах исследователи проанализировали жидкость и выделили экзосомы, вырабатываемые кератиноцитами — клетками, необходимыми для восстановления кожи. Экзосомы из клеток кожи поглощаются макрофагами, иммунными клетками, которые координируют заживление ран. Анализ показал, что химический состав веществ (белков, РНК, липидов) в экзосомах у людей с диабетом (диаэкзасомах) отличался от контрольной группы. При этом общее количество таких наночастиц в жидкости, полученной из повязок у пациентов с диабетом был меньше, чем у недиабетических больных.

Исследователи культивировали в пробирке макрофаги с экзосомами недиабетических пациентов и диаэкзосомами. Анализ показал, что в первом случае иммунные клетки выделяли факторы, которые способствуют снижению воспаления и заживлению раны, а во втором — продуцировали провоспалительные факторы. Диэкзосомы вызывают отклонения от каскада заживления, так что разрешение воспаления оказывается под угрозой. И это не ограничивается только ранами. Поскольку экзосомы отвечают за многие функции в организме, диаэкзосомы могут играть роль в других диабетических осложнениях, – Чандан Сен, соавтор исследования. Ученые исследуют возможные способы восстановления корректной работы наночастиц в организме пациентов с диабетом. Они рассматривают два возможных решения: воздействовать на клетки, чтобы восстановить нормальный состав экзосом, либо изолировать клетки и «загрузить» недостающие вещества, чтобы после изменений ввести частицы в рану. 

Сеть мировой продовольственной системы генерирует до 37% выбросов парниковых газов на планете каждый год. Поскольку к середине столетия население Земли приблизится к 10 млрд человек, выбросы парниковых газов в продовольственной системе, если их не остановить, вырастут до 50% и 80% к 2050 году. Новое исследование  (Benjamin Z. Houlton, the Ronald P. Lynch Dean of the College of Agriculture and Life Sciences at Cornell University, and Maya Almaraz at Princeton University) показывает, что современные сельскохозяйственные технологии и управление могут привести к более чем 13 млрд тонн чистых отрицательных выбросов парниковых газов в год. А вот переход населения на определенную диету, наоборот, не сильно поможет. Предыдущие исследования показали, что изменение рациона питания во всем мире является ключом к сокращению выбросов парниковых газов в секторе продовольственных систем. Если к 2050 году вся человеческая популяция примет «флекситарианскую» (преимущественно растительную) диету, которую пропагандирует комиссия EAT-Lancet, то, по оценкам ученых, это приведет к сокращению выбросов парниковых газов на 8,2 млрд метрических тонн. Это не дотягивает до цели по чистым отрицательным выбросам. Исследование рассматривает как изменение рациона питания, так и сельскохозяйственные технологии как различные варианты сокращения выбросов, включая связывание углерода. В отличие от явной пользы сельскохозяйственных технологий в достижении массовых отрицательных выбросов в секторе, изменение диеты оказало незначительное влияние на захват углерода.

Новая модель показала, что наиболее эффективный способ снижения выбросов — модификации почвы для культурных растений (биоуголь, компост и минеральные добавки), развитие агролесоводства, продвижение практик устойчивой добычи морепродуктов и поощрение производства удобрений на основе водорода. Например, к культурным почвам можно добавлять кремнеземный порошок раз в пять лет, чтобы ускорить образование карбонатов. Этот процесс поглощает углекислый газ и удерживает несколько миллиардов метрических тонн углерода ежегодно. Благодаря агролесоводству посадка деревьев на неиспользуемых сельскохозяйственных угодьях может улавливать до 10,3 млрд метрических тонн углерода ежегодно. Морские водоросли можно выращивать на поверхности океана, а затем погружать в глубокое море, удаляя до 10,7 млрд метрических тонн углекислого газа. Добавки в корм для скота сократят выбросы метана на 1,7 млрд метрических тонн, а применение биоугля на пахотных землях снизит выбросы оксида азота на 2,3 млрд метрических тонн. Действия по защите окружающей среды продовольственной системы должны начинаться на региональном уровне. Переход на более здоровую диету полезен, но для достижения отрицательных выбросов парниковых газов в мировом масштабе необходимо широкое использование сельскохозяйственных технологий и методов управления.      Исследователи из США разработали новый тип материала на основе морских водорослей и бактерий, который может экологично очистить воду от загрязняющих веществ, сообщает Калифорнийский университет в Сан-Диего. Недавно разработанный материал представляет собой напечатанную на 3D-принтере структуру, которая состоит из природного полимера на основе морских водорослей – альгината – и цианобактерий. Полимер превратили в гель, а бактерии «запрограммировали» так, чтобы они могли самоликвидироваться при контакте с молекулой под названием теофиллин, которая часто содержится в чае и шоколаде. Это дает возможность устранить их после того, как они выполнили свою работу.           Смесь из полимера и бактерий загрузили в 3D-принтер. Исследователи (Debika Datta,   Elliot L. Weiss,   Jonathan K. Pokorski)  обнаружили, что решетчатая структура хорошо подходит, чтобы поддерживать жизнь бактерий. Выбранная форма имеет высокое соотношение площади поверхности к объему, что позволяет большинству цианобактерий располагаться вблизи поверхности материала, получая доступ к питательным веществам, газам и свету. Увеличенная площадь поверхности также делает материал более эффективным при обеззараживании. В качестве эксперимента ученые генетически модифицировали цианобактерии в своем материале, чтобы они постоянно производили обеззараживающий фермент — лакказу. Исследования показали, что лакказу можно использовать для нейтрализации различных органических загрязнителей, включая бисфенол А (BPA), антибиотики, фармацевтические препараты и красители. В испытаниях материал обесцвечивал водный раствор, содержащий краситель индигокармин, который широко используют в текстильной промышленности при производстве джинсовой ткани.      Инженеры показали, что специальная обработка поверхностей предотвращает формирование микробных и грибковых пленок в космосе. Исследователи из Массачусетского технологического института разработали технологию обработки поверхностей для предотвращения формирования микробных биопленок в условиях микрогравитации. Тестирование на борту Международной космической станции (МКС) подтвердило эффективность технологии. Исследователи использовали поверхность из кремния, который был вытравлен для создания множества наноразмерных столбиков. Заготовку пропитывали силиконовым маслом, которое втягивается в текстуру и удерживается на месте за счет капиллярного действия, оставляя гладкую и очень скользкую поверхность. Это значительно снижает адгезию микробов и предотвращает образование биопленки.

Идентичные эксперименты проводились на Земле и на космической станции для определения различий, создаваемых микрогравитационной средой на орбите. К удивлению исследователей, поверхность, наполненная жидкостью, в космосе показала себя даже лучше, чем на Земле: на МКС формирование биопленки снизилось на 86%, а на планете — на 74%. Биопленки — это множество микроорганизмов, расположенных на поверхности, клетки которых связаны между собой. Формирование таких структур засоряет фильтры и шланги устройств космических станций и может вызывать болезни у астронавтов и космонавтов. Засоры в шлангах системы рекуперации воды на борту МКС временами были настолько серьезными, что компоненты приходилось отправлять на Землю для очистки и ремонта. Предотвращение образования биопленок будет особенно важно для будущих длительных миссий, например, на Луну или Марс. В таких путешествиях невозможно будет отправить компоненты для ремонта на Землю. Если технология подтвердит эффективность в длительных экспериментах, ее можно будет использовать для модернизации многих компонентов космических кораблей.

Физики используют микроволновое излучение для охлаждения молекулярного газа до сверхнизких температур и состояния близкого к молекулярному конденсату Бозе — Эйнштейна. Исследователи из Колумбийского университета используют микроволны для создания экранов вокруг молекул натрия-цезия в молекулярном газе. Защита стабилизировала молекулы и помогла физикам охладить их до самых низких температур, едва не создав неуловимый молекулярный конденсат Бозе — Эйнштейна (бозе-конденсат). Исследователи Niccolò Bigagli,  Claire Warner,  Weijun Yuan  использовали микроволны, излучаемые специальной антенной, чтобы продлить срок жизни бозонного газа молекул натрия-цезия с нескольких миллисекунд до более чем одной секунды, что является важным первым шагом к их охлаждению. Используя «долговечный» образец газа, физики охладили его до температуры 36 нК — чуть выше, необходимой молекулам для образования бозе-конденсата. Микроволны — это форма электромагнитного излучения, заставляющая молекулы вращаться. Если рассматриваемые молекулы — это вода в продуктах, помещенных в микроволновую печь на кухне, вращение создает трение, которое в конечном итоге нагревает еду, объясняют ученые. 

В физической лаборатории для газа натрия-цезия, микроволны создают экран, который предотвращает прилипание молекул друг к другу и потерю их из образца. Удерживаемые на месте молекулы можно подвергнуть испарительному охлаждению. Этот процесс аналогичен обдуванию горячей чашки кофе: после удаления верхнего слоя «горячих» молекул оставшиеся нагреваются до более низкой температуры. Конденсат Бозе  — Эйштейна — это агрегатное состояние материи, при котором отдельные частицы при ультранизких температурах и низких плотностях конденсируются в неразличимое целое. В таком состоянии на макроуровне начинают проявляться квантовые эффекты. Все бозе-конденсаты, созданные до сих пор для решения фундаментальных вопросов квантовой механики, состояли из атомов. Гораздо сложнее сделать молекулы достаточно холодными, чтобы приблизиться к состоянию бозе-конденсата, которое находится на доли градуса выше абсолютного нуля, и поддерживать стабильность молекул достаточно долго для проведения экспериментов. Исследователи надеются, что, совершенствуя методику, в будущих экспериментах они достигнут нужного охлаждения.

Исследователи из Северо-Западного университета и Института Санта-Фе разработали теоретическую модель для изучения синхронизации множества внутренних часов в организме под воздействием старения и внешнего влияния, например, смены часовых поясов. Синхронизация часов центральной и периферической системы снижает негативные эффекты. Циркадные часы — внутренние часы, по которым живет организм — присутствуют почти в каждой клетке и ткани организма. Каждый из них полагается на свой собственный набор сигналов для калибровки. Например, часы мозга зависят от солнечного света и освещения в целом, а периферические — калибруются во время еды. Исследователи построили математическую модель, объясняющую это сложное взаимодействие между системами. Теория включает две популяции связанных осцилляторов, которые имитируют естественные ритмы циркадных циклов. Каждый осциллятор влияет на другие и в то же время регулируется на основе уникальных внешних сигналов. Используя эту модель, ученые изучили, как такая связанная система может быть нарушена и что ухудшает эффект. Они обнаружили, что общие симптомы старения, такие как более слабые сигналы циркадных часов и более низкая чувствительность к свету, приводят к тому, что система становится более уязвимой к сбоям и медленнее восстанавливается. Они также нашли новый метод ускорения восстановления после смены часовых поясов и подобных сбоев. Они считают, что путь к лучшему сну лежит через желудок. «Обильный обед ранним утром в новом часовом поясе поможет преодолеть смену часовых поясов. А постоянно менять график приема пищи или есть ночью не стоит, так как это может привести к рассогласованию внутренних часов», — говорит Итун Хуан, соавтор исследования. Ученые планируют исследовать другую сторону уравнения и выявить факторы, которые повышают устойчивость внутренних часов.

Исследователи из Университета Голуэя и Массачусетского технологического института разрабатывают умный имплант, способный распознать изменения в окружающих тканях и адаптироваться к ним. Разработка решает проблему долгосрочной работы имплантов с лекарствами, связанную с образованием фиброзных тканей. Организм воспринимает любое имплантируемое устройство как посторонний предмет и начинает его отторгать. Для средств доставки лекарств это связано с формированием вокруг импланта рубцовой ткани, которая постепенно закупоривает поры и снижает дозу терапии, поступающей в организм. Исследователи использовали механотерапию для уменьшения образования рубцовой ткани. Мягкий роботизированный имплант совершает в теле регулярные движения, такие как надувание и сдувание. Своевременные, повторяющиеся или разнообразные движения помогают предотвратить образование рубцовой ткани. Пористая мембрана устройства определяет формирование рубцов, которые закупоривают поры, с помощью электрического импеданса. Фиброзные клетки блокируют электрические сигналы, которые проходят через мембрану. Исследователи разработали алгоритм машинного обучения, который отслеживает такие изменения, для прогнозирования необходимого количества лекарства и силы механических движений для достижения нужной дозировки. Исследование показало, что изменение силы и количества раз, когда устройство было вынуждено двигаться или менять форму, позволяло устройству высвобождать больше лекарства, помогая обойти образование рубцовой ткани. Имплантируемые системы доставки лекарств могут применяться для лечения диабета, хронических болей и других заболеваний, требующих регулярного приема терапии.

Ученые из США создали «искусственную почку» – биореактор на базе почечных клеток, способный выполнять некоторые ключевые функции этого органа. Такие устройства могут позволить людям с почечной недостаточностью отказаться от процедуры диализа, сообщила пресс-служба университета Калифорнии в Сан-Франциско (UCSF).  Биореактор успешно внедрили в организм свиней без отторжения со стороны иммунной системы. «Цель наших опытов заключалась в безопасном воспроизведении ключевых функций почек. Созданные нами биоискусственные почки повысят эффективность терапии болезней выводящей системы, а также сделают эти процедуры гораздо более комфортными и переносимыми для пациентов», – заявил профессор UCSF Шуво Рой, чьи слова приводит пресс-служба вуза. Исследователи уже несколько лет работают над созданием альтернативы системам диализа, которые используют для очистки крови от излишков веществ, воды и токсинов у людей с нарушенной функцией почек. Недавно ученым удалось использовать культуры клеток из почечных канальцев для улучшения состояния больных, тяжело переносивших подключение к аппарату диализа.

Этот успех натолкнул ученых на мысль, что эти же самые клетки можно использовать для создания изолированного от иммунной системы биореактора, который выполнял бы функцию почек прямо в организме. Для этого исследователи создали силиконовую оболочку, изолировавшую искусственное подобие почки от остального тела, наполнили ее клетками почечных канальцев и имплантировали ее в тело нескольких животных. Последующие наблюдения показали, что биореактор успешно «подключился» к кровеносной и выводящей системе животных и начал фильтровать кровь, не вызывая реакции отторжения на протяжении более недели после имплантации. По словам исследователей, это открывает дорогу для более длительных испытаний биореактора на животных, а впоследствии для клинических опытов на добровольцах. Со временем авторы разработки планируют добавить в биореактор клетки почек, выполняющие другие жизненно важные функции, такие как высвобождение гормонов, регулирующих кровяное давление. «Нам необходимо было доказать, что корректно функционирующий биореактор не потребует приема лекарств, подавляющих иммунитет, и мы это успешно сделали. Мы не зафиксировали никаких осложнений, благодаря чему теперь мы можем расширить эксперимент и постепенно включить в человеческую версию биореактора полный набор всех функций почек», – отметил профессор Рой.

Финские и американские (Mikko Möttönen and David Hall)  ученые, специализирующиеся на топологических монополях, получили редкую возможность изучить странный вид одностороннего магнетизма в облаке газа, охлажденного до криогенных температур. Эти кольцевидные структуры, получившие название «колец Алисы», подтвердили давнюю гипотезу распада монополей. «Впервые наша коллаборация смогла воссоздать кольца Алисы в природе. Это грандиозное достижение, — заявил профессор Микко Моттонен из Университета Аальто. — Это фундаментальное исследование открывает путь к пониманию работы этих структур и их аналогов в физике частиц».Коллаборация, посвященная исследованиям монополя, доказала существование квантового аналога магнитного монополя в 2014 году, изолировала квантовые монополи в 2015-м и наблюдала распад одного монополя в другой в 2017-м.   Монополи — разновидности диполей, но с одном магнитным полюсом вместо двух. Они бывают заряжены только отрицательно или только положительно. Звучит просто, но на деле реализовать истинный монополь оказалось чрезвычайно сложной задачей. Исследователи из Коллаборации выполнили ее с помощью атомов рубидия, охлажденных почти до абсолютного нуля. В таких условиях они смогли создать монополь, направив нулевую точку трехмерного магнитного поля в квантовый газ.

Эти квантовые монополи крайне недолговечны по природе и распадаются через миллисекунды после появления. В состоянии такой нестабильности и возникают кольца Алисы. «Представьте себе монополь как яйцо, балансирующее на вершине холма, — сказал Моттонен. — Малейший толчок может столкнуть его вниз. В определенном смысле, монополи подвержены шуму, который запускает их распад в кольца Алисы». Несмотря на недолговечность колец Алисы, ученые смогли стабилизировать их на 84 мс — это в 20 раз дольше их обычного срока жизни. Это достижение позволяет предположить, что в будущем получится открыть еще более странные свойства монополей. На первый взгляд, кольца Алисы выглядят совсем как монополи, но если заглянуть внутрь кольца, картина меняется. Все начинает выглядеть как будто в зеркальном отражении, как если бы кольцо было проходом в мир антивещества, пояснили ученые. Теоретически, монополь, пройдя сквозь кольцо Алисы, должен превратиться в анти-монополь с противоположным зарядом. Соответственно, заряд кольца Алисы тоже меняется. Хотя этот феномен еще не был подтвержден экспериментально, Моттонен и его коллеги убеждены, что топологическая структура колец Алисы влечет за собой такое поведение.                    

Биоинженеры из Института биомедицинских инноваций Терасаки (TIBI) разработали биочернила, которые содержат микрочастицы, доставляющие белок, который усиливаетом образование зрелой скелетной мышечной ткани. Разработка, выполненная под руковоством проф. Natan Roberto de Barros позволит в будущем успешно лечить людей, страдающих от потери мышечной массы или травм. Новые биочернила состоят из GelMA (биосовместимого гидрогеля на основе желатина), клеток миобластов и микрочастиц, разработанных для устойчивой доставки инсулиноподобного фактора роста-1 (IGF-1). IGF-1 — белок, который способствует и восстановлению мышц, если он присутствует в течение как минимум десяти дней. Чтобы обеспечить продолжительное высвобождение IGF-1 в напечатанной мышце в течение нескольких дней, исследователи изготовили микрочастицы одинакового размера. На их поверхности расположили IGF-1, которые постепенно высвобождались, когда разлагались микрочастицы. Через неделю после того, как мышечные конструкции были созданы с помощью новых биочернил, исследователи наблюдали, как миобласты выравниваются и превращаются (дифференцируются) в мышечные трубки, которые росли и удлинялись значительно больше, чем конструкции без длительного высвобождения IGF-1. При этом через десять дней после биопечати конструкции мышечной ткани, устойчиво высвобождающие IGF-1, начали спонтанно сокращаться. В доклинических исследованиях напечатанные конструкции вживили мышам. И у этих мышей — в отличие от мышей из контрольной группы — наблюдалась самая высокая степень регенерации мышечной ткани через шесть недель после имплантации. Дополнительные эксперименты in vivo показали, что длительное высвобождение IGF-1 также запускает хорошо регулируемую воспалительную реакцию, которая оказывается полезной для восстановления тканей.

Инженеры из Массачусетского технологического института использовали сферические магнитные полимеры Dynabeads для проведения бактериального анализа. Рассеянное свечение от частиц, зафиксированное романовским спектрометром, «выдает» наличие патогенов. Этот метод поможет врачам быстро определять источник инфекции и выбирать целевой антибиотик. Dynabeads — это крошечные однородные частицы, изготовленные из магнитного железного сердечника и полимерной оболочки. На поверхность частиц исследователи наносят антитела, чувствительные к заданным бактериям. При смешивании с жидкостью, например, с кровью или водой, целевые молекулы оседают на Dynabeads. Используя магнит, ученые могут осторожно притянуть шарики ко дну флакона и отфильтровать их из раствора. Исследователи обнаружили, что магнитные шарики обладают уникальной и сильной рамановской сигнатурой — «отпечатком» молекулы, который показывает, как она рассеивает свет. Обнаружение такой «подписи» сигнализирует, что в образце присутствует целевой патоген. Исследователи проверили метод для поиска бактерий сальмонеллы в воде. Зараженную воду смешали с Dynabeads, покрытыми антителами к этой бактерии. После этого с помощью магнитов шарики изолировали на предметных стеклах и изучили под микроскопом. За 0,5 с прибор проверил образцы и обнаружил характерную рамановскую сигнатуру. 

Анализ можно использовать, чтобы быстро дать положительный или отрицательный ответ: есть ли примеси или нет? Потому что даже несколько патогенов могут вызывать клинические симптомы, – Лоза Тадессе, соавтор исследования. Доля патогенов в биологических образцах мала. Чтобы обнаружить их под микроскопом, посев традиционно выращивается в благоприятных культивируемых условиях. Это занимает от нескольких дней до нескольких недель. Метод, предложенный инженерами, сокращает время анализа для быстрой диагностики и начала целевого лечения, например, в случае острого сепсиса. Исследователи работают над созданием портативной тест-системы для клинических лабораторий.

Специалисты из США разработали новый тип медицинского сонографа — лазерное ультразвуковое устройство (NCLUS), которое делает снимки внутренних органов, кровеносных сосудов, мышечных тканей и сухожилий не только неинвазивно, но и бесконтактно. Кроме того, оно измеряет прочность костей и может использоваться для отслеживания хода заболеваний. При проведении процедуры УЗИ к коже пациента прижимают ультразвуковой датчик, который излучает звуковые волны, проходящие через ткани тела и отражающиеся от различных типов клеток: жира, мускулов, кровеносных сосудов, костей. Эхо от этих волн создает снимок внутренностей, а особые режимы обработки данных позволяют построить изображения в двух или трех измерениях. Несмотря на высокую точность современных аппаратов УЗИ, метод не лишен недостатков. Управление датчиком вручную требует опыта, а давление прибора вызывает непредсказуемые изменения в свойствах тканей, которые влияют на траектории звуковых волн. Вдобавок, даже небольшой наклон датчика меняет угол обзора и лишает картину точности. Все это не позволяет с достаточной уверенностью использовать снимки УЗИ в медицине. Например, невозможно установить, увеличивается или уменьшается опухоль или где она расположена.

Команда инженеров из MIT и Общеклинической больницы Массачусетса решила эту проблему путем автоматизации получения ультразвуковых изображений и внедрения лазерного позиционирования. Благодаря отсутствию контакта с кожей пациента не возникает изменений в тканях. Уникальные маркеры на коже позволяют точно воспроизводить снимки, а специальная программа сравнивает результаты сканирования. Бесконтактный метод подходит для обследования чувствительных и болезненных зон или в случае риска заражения. «NCLUS может делать снимки больных с ожогами или травмами, с глубокими повреждениями тканей прямо в процессе операции, недоношенных детей, требующих интенсивного ухода, пациентов с травмами шеи и позвоночника, инфицированных заразными болезнями», — сказал Роберт Хаупт, руководитель исследовательской группы. В состав комплекса NCLUS входит импульсный лазер, передающий оптическую энергию через воздух на поверхность кожи. Импульс вызывает мгновенное локальное повышение температуры и деформацию кожи из-за эффектов термоупругости, которые, в свою очередь, генерируют ультразвуковые волны — такое явление называют фотоакустическим. Оптический импульс передает достаточно ультразвуковой энергии на частотах, совместимых с современными аппаратами УЗИ, и не вызывают никаких неприятных ощущений на коже. В 2019 году команда MIT разработала первый опытный образец устройства, но тогда его разрешение было существенно ниже, чем у традиционных аппаратов УЗИ. Будущие модели стали работать быстрее и на более высоких частотах, добившись разрешения в 200 микрон. Дальше инженеры планируют заняться разработкой аппарата NCLUS для применения в военно-полевых госпиталях.

Американские химики создали вещество, меняющее реакцию полимеров на температурные перепады, что повысило их стойкость к износу и сделало похожими на металлы. Разработка может найти применение в самых разных сферах — от производства смартфонов до ракетостроения. Полимеры, к которым относят различные виды пластмасс, состоят из длинных цепочек соединенных вместе молекул. Эти химические связи обеспечивают прочность полимеров и делают их подходящим материалом для корпусов изделий с хрупкими компонентами внутри. Но, как и все на свете, полимеры со временем изнашиваются. В особенности разрушительны для них перепады температур. Поскольку полимеры быстро расширяются при нагреве и сжимаются при охлаждении, они страдают сильнее, чем металлы и керамика, в которых эти колебания происходят медленнее. Это несоответствие создает проблемы поставщикам техники. Например, в электронике, такой как смартфоны, пластмассовый корпус вмещает экран и прочие детали, в том числе из металла и керамики. Все они скручены, склеены или еще как-то скреплены друг с другом. Расширяясь и сжимаясь с разной скоростью, компоненты создают взаимную нагрузку, что может вести к деформации и растрескиванию. В случае с трубами такие повреждения оборачиваются протечками. В автомобилестроении и для пластикового сайдинга сильный нагрев и морозы тоже чреваты деформацией и трещинами.

Материаловеды из Национальной лаборатории Сандия (США) решили исправить недостаток, на который жалуются производители. Созданное ими вещество легко встраивается в полимер и меняет его свойства. С добавкой величина расширения и сжатия при перепаде температур у полимерных материалов становится близкой к показателям у металлов. «Ничего подобного в мире нет. Я воодушевлен возможностями этой технологии и вариантами ее применения», — заявил один из разработчиков добавки Эрик Нэйгель (Eric Nagel). У модифицированных таким образом материалов действительно большой потенциал. Ведь полимеры сегодня используют в электронике, системах связи, солнечных батареях, напольных покрытиях, автомобильных компонентах, печатных платах, аэрокосмических и оборонных системах. Добавку можно будет включить и в состав материалов для 3D-печати, регулируя соотношение в зависимости от температурных требований к готовым изделиям. Пока ученым удалось синтезировать вещество в небольших количествах. По словам Чада Стайгера (Chad Staiger), химика-органика из лаборатории Сандия, на приготовление 7–10 граммов добавки сегодня уходит около 10 дней. Команда уже ищет способы нарастить производство. «К сожалению, синтез этой добавки — долгий процесс. Чем больше этапов, тем больше нужно времени и денег. В производстве более дорогих материалов, например для фармпрепаратов, обычно используют пяти- или шестиэтапный синтез. Но в случае с полимерами чем дешевле — тем лучше для широкого внедрения», — заключил Стайгер.

Ученые из Австрии и США разработали новый тип квантового компьютера, в котором для моделирования комплексных физических систем используются фермионные атомы. Такой процессор может воссоздавать фермионные модели в аппаратном обеспечении при помощи фермионных затворов. Возможности нового квантового процессора были испытаны на задачах из квантовой химии и физики частиц. Фермионные атомы подчиняются принципу исключения Паули, который говорит, что два и более фермиона не могут одновременно находиться в идентичном состоянии в одной квантовой системе. Это делает их идеальными кандидатами для моделирования систем, в которых фермионная статистика играет важную роль: молекул, сверхпроводников и кварк-глюонных плазм. Фермионный квантовый компьютер собран из фермионного регистра и набора фермионных квантовых затворов.

«Регистр состоит из фермионных мод, которые могут быть либо пустыми, либо занятыми одним фермионом, — пояснил Даниэль Гонзалес Куарда. — Состояние системы, которое мы хотим моделировать, например, молекулы, состоящей из множества электронов, будет суперпозицией множества паттернов заполненности, которые можно напрямую кодировать в этот регистр». Затем эта информация обрабатывается при помощи фермионной квантовой цепи, созданной для моделирования, к примеру, временной эволюции молекулы. Любую из этих цепей можно разбить на отрезки из всего двух типов фермионных затворов: туннельный затвор и затвор взаимодействия. Ученые предложили поймать атомы фермионов оптическим пинцетом — направленными пучками лазеров, способных перемещать атомы с высокой точностью. Затворы туннелирования можно изготовить, управляя туннелированием атомов между двух оптических пинцетов, а затвор взаимодействия — путем возбуждения атомов до состояния Ридберга. Фермионные квантовые вычисления особенно полезны для моделирования свойств систем, состоящих из множества взаимодействующих фермионов: электронов в молекуле или в материале или кварков внутри протона. Таким образом, он может применяться в разных областях, от квантовой химии до физики частиц, что и продемонстрировали ученые на практике.

Ученые из Массачусетского технологического института разработали невидимую систему маркировки под названием BrightMarker. Она встраивает флуоресцентные теги в объекты, которые можно просматривать и отслеживать с помощью инфракрасной камеры. Система BrightMarker, которую разработали сотрудники Массачусетского технологического института, скрывает QR-код внутри отслеживаемого объекта, поэтому его нельзя подделать или даже увидеть. Но если навести на него инфракрасную камеру, то появляется тег вместе с информацией, которую он кодирует. С помощью программного плагина тег BrightMarker помещается в цифровую модель и экспортируется в виде файла STL. Затем, используя флуоресцентные нити в принтере, можно распечатать объект со скрытой маркировкой. По словам команды, они не меняют форму, функцию или внешний вид объекта. Флуоресцентный материал излучает свет на ближних инфракрасных длинах волн, поэтому QR-код будет отображаться в высокой контрастности при просмотре через инфракрасные камеры. Также ученые разработали небольшие аппаратные аксессуары, которые можно было прикрепить к смартфонам или гарнитурам VR/AR для обнаружения тегов. 

Тейлситтер — летательный аппарат с жестким крылом, который взлетает и садится вертикально на хвостовое оперение, а в полете поворачивается в горизонтальную плоскость. Идея принадлежит Николе Тесле, но до сих пор из-за ряда сложностей она не была реализована в авиации. Пока не появились дроны. Для БПЛА такая конструкция обеспечивает более высокую скорость и эффективность, присущую аэропланам, а также возможность зависать в воздухе, как вертолеты. Обычно при разработке алгоритма планирования траектории полета дронов динамику системы либо упрощают, либо используют два различных режима: вертолетный и аэропланный. Специалисты из MIT создали алгоритм, рассчитывающий траекторию и выполняющий полет максимально агрессивно, со всей доступной мощностью. Для этого они применили модель общей динамики, которая учитывает все полетные условия. А затем добавили параметры дифференциальной плоскостности, обеспечивающие эффективность работы алгоритма.          

Окончание здесь