Сверхвысокочастотные акустические волны визуализируют структуры размером несколько нанометров. Исследователи из японского Института физико-химических исследований (RIKEN) разработали технологию ультразвуковой визуализации с высоким разрешением. Сверхвысокочастнтные акустические волны можно использовать для поиска скрытых наноскопических дефектов в материалах.

В медицинских приборах УЗИ используются звуковые волны с длиной волны несколько миллиметров. Этого достаточно для наблюдения за внутренними органами или развитием плода. Но для исследования наноструктур длина волны должна быть существенно меньше, объясняют физики. Технологии создания таких высокочастотных звуковых волн давно известны: для их генерации в металлах и полупроводниках уже несколько десятилетий используются ультракороткие лазерные импульсы. Но обнаружить их гораздо сложнее, поскольку для этого требуется разработать детекторы, способные достигать нанометрового пространственного разрешения и фиксировать данные с пикосекундной частотой. Если мы научимся использовать звуковые волны с длиной волны около 100 нм или около того, мы сможем использовать их для проверки материалов, например, для обнаружения дефектов, – Асука Накамура, соавтор исследования из института RIKEN.

Долгое время ученые бились над идеей по выращиванию зубов в организме взрослого млекопитающего. Исследователям из Японии удалось это осуществить у различных лабораторных животных. Теперь стартуют клинические исследования с участием людей. Уже в течение нескольких лет успешные результаты исследования могут привести к одобрению инновационного лечения. По словам автора технологии Кацу Такахаси, он работал над этой идеей со студенческих времен. Многолетние эксперименты привели его команду к открытию гена USAG-1, воздействие на который может стимулировать рост новых зубов. В 2018 году экспериментальное лечение привело к успешному росту новых зубов у мышей и хорьков. Наблюдения показали, что USAG-1 взаимодействует с определенными белками, подавляя рост зубов. Блокировка этого механизма приводит к передаче сигналов белка BMP, который запускает рост новых зубов.

Исследователи разработали технологию создания уникальных QR-кодов на основе жидких кристаллов. Группа исследователей из Высшей школы инженерии Университета Нагоя разработала метод создания микроскопических сферических частиц на основе холестерических жидких кристаллов (ХЖК). Технология, вдохновленная строением панцирей жуков, подойдет для печати уникальных и безопасных QR-код для защиты товаров от подделок. ХЖК — особый тип жидких кристаллов со спиральной структурой. Они обладают уникальными оптическими характеристиками, которые позволяют им избирательно отражать свет на определенных длинах волн. Эти свойства зависят от структуры спирали. Ключевая проблема с такими частицами состоит в том, что отражаемый цвет может меняться в зависимости от ориентации наблюдателя относительно спирали. Кроме того, чем крупнее частица, тем сложнее контролировать ее свойства. Исследователи использовали метод дисперсной полимеризации для создания сферических структур размером в несколько микрометров.

В серии экспериментов исследователи продемонстрировали, что такие крошечные частицы обладают уникальным цветом, при этом он зависит от размера микросфер. Управляя диаметром, можно менять оптические свойства частиц. Кроме того, покрытие сферы специальным полимером улучшает окраску и термическую стабильность частиц. На основе таких частиц можно создавать безопасные QR-коды, которые невозможно воспроизвести и подделать. Такой код для защиты от подделок может быть создан путем комбинирования цвета сферических частиц ХЖК с различными нехиральными пигментами, которые затруднят копирование. При этом с помощью специального кругового поляризатора, который пропускает нехиральный свет, но не пропускает хиральный свет, можно будет считать готовый код.

Ученые из Riken, японского исследовательского института, представили компактный ручной сканер терагерцового диапазона, который может использоваться для неразрушающего контроля различных объектов. Этот сканер способен анализировать лекарственные препараты, осуществлять проверку грузов и обнаруживать дефекты в металлических конструкциях.

Японские учёные разработали систему подземной навигации, которую назвали MuWNS. Её основа— мюоны, субатомные частицы, которые возникают при столкновении космического излучения с атмосферой Земли. По словам японцев, новая технология даёт возможность ориентироваться в пещерах, подвалах, вести мониторинг активности вулканов и искать людей, которые попали под завалы. Как это работает и зачем было создано?

Для того, чтобы солнечная или ветровая энергетика становилась более эффективными, а электрический транспорт — популярнее, необходимы инновации в технологии аккумулирования энергии. Современные методы вроде литий-ионных батарей не идеальны: они долго заряжаются, а проблемы с электролитом снижают срок службы. Одной из альтернатив считаются диэлектрические конденсаторы. Исследовательская группа японских ученых собрала из нанолистов устройство с наивысшим показателем накопления энергии из созданных до сих пор. Конденсаторы состоят из тонких слоев металлических электродов, разделенных диэлектрической пленкой. Диэлектрики накапливают энергии в результате процесса поляризации. Когда на конденсатор воздействует электрическое поле, положительные заряды движутся к отрицательному электроду, а отрицательные — к положительному. Накопление электрической энергии зависит от поляризации диэлектрической пленки под действием внешнего электрического поля.

иэлектрические конденсаторы имеют множество преимуществ, например, заряжаются за пару секунд, долго служат и обладают высокой плотностью энерговыделения. Однако плотность энергии современных диэлектриков существенно ниже современных потребностей. Это не позволяет им соперничать с другими типами накопителей энергии. Ключ к решению этой проблемы — воздействие на диэлектрический материал как можно более сильным электрическим полем. Для того чтобы найти материал, способный работать с таким полем, ученые использовали слои нанопленки из кальция, соды, ниобия и кислорода с перовскитовой кристаллической структурой. Она характерна превосходными диэлектрическими свойствами, в частности, высокой поляризацией. Результаты экспериментов показали, что такая конструкция выдерживает достаточно высокие электрические поля и преобразует их в электростатическую энергию без потерь, достигая наивысшей плотности энергии из зарегистрированных — на 1–2 порядка выше, чем у имеющихся аналогов. Кроме того, диэлектрические наноконденсаторы они сохраняют стабильность на протяжении множества циклов и продолжают надежно работать при температуре до 300 °C.

В Японии инженеры-роботехники разработали необычное устройство в виде нескольких рук, которые крепятся к спине человека с помощью специальных лямок и напоминают руки Доктора Осьминога из комиксов о Человеке-пауке. «Гибкие руки», или «танцующих киборгов», создала команда ученых из Токийского университета во главе с Масахико Инами. В интервью Reuters ученый рассказал, что, создавая роборуки, он основывался на идее «дзидзай» — этот японский термин означает автономию и свободу делать все что угодно. Инженеры поставили перед собой цель сделать устройство для улучшения возможностей человека. Экзопротезы уже выпустила японская компания Jizai, работающая в последнее время над проектом цифрового киборга — «свободного тела», в котором в полной мере используют носимые технологии, робототехнику и технологии управления.           

Инженеры Университета Маккуори разработали новый вид оптического волокна, совместимый с существующей инфраструктурой, который позволяет передавать данные с рекордно высокой скоростью. Международная группа исследователей установила новый рекорд скорости передачи данных с помощью стандартного для отрасли оптического волокна. В серии экспериментов они достигли скорости в 1,7 Пбит/с (1 700 000 Гбит/с) при передаче данных по кабелю длиной 67 км. Волокно, содержащее 19 жил, по каждой из которых может передаваться сигнал, соответствует мировым стандартам. Это значит, что его можно будет внедрить без значительных изменений инфраструктуры. Исследователи разработали стеклянный чип с волноводным рисунком, выгравированным на нем с помощью технологии 3D-лазерной печати. Это позволяет подавать сигналы в 19 отдельных жил волокна одновременно с равномерными низкими потерями. В отличие от альтернативных технологий такой подход позволяет избежать потери света и использует меньше цифровой обработки, что значительно снижает мощность, необходимую для передачи одного бита.

Инженеры усовершенствовали технологию флуоресцентной микроскопии одиночных молекул, чтобы отслеживать движения молекул внутри клеток. Исследователи из Японии разработали самую быструю в мире камеру для флуоресцентной микроскопии одиночных молекул. Устройство фиксирует местоположение молекулы с прикрепленной меткой каждые 33 мкс с точностью до 34 нм или каждые 100 мкс с точностью до 20 нм. Микроскопия одиночных молекул использует флуоресцентную молекулу в качестве репортерной метки, которая может связываться с интересующими молекулами в клетке и показывать, где они находятся, как перемещаются и связываются друг с другом. Исследователям удалось ускорить сбор данных о местоположении такой молекулы в тысячу раз по сравнению с классическими камерами. «Теперь мы можем наблюдать, как отдельные молекулы танцуют внутри живых клеток, как будто мы смотрим балетное представление в театре», — говорит Такахиро Фудзивара, соавтор исследования.

Предыдущие наблюдения он сравнивает с танцем, от которого остались только редкие фотографии, а все что происходило в промежутке между ними приходится додумывать. Кроме того, камера, разработанная исследователями, значительно улучшила временное разрешение предыдущего метода флуоресцентной микроскопии, который был награжден Нобелевской премией по химии в 2014 году. В этом методе положения отдельных молекул записываются в виде маленьких точек примерно 20 нм, в конечном итоге образуя изображения. Недостаток такого подхода в том, что создание изображение требовало времени более 10 мин, и поэтому образцы должны были быть химически зафиксированы мертвыми клетками. С помощью сверхбыстрой камеры изображение может быть сформировано за 10 с, что примерно в 60 раз быстрее и позволяет наблюдать за живыми клетками, отмечают ученые.

Японская компания N-Ark представила проект плавучего города, рассчитанного на пребывание 40 тыс. человек. Из них 10 тыс. смогут быть его постоянными жителями. Городу Догэн будет не страшен подъем уровня мирового океана, так как вся его инфраструктура спроектирована полностью автономной и самодостаточной — от выработки энергии до обеспечения жителей едой и водой. У города будет даже собственная стартовая площадка для запуска и приема грузовых и пассажирских ракет. Не ясно пока только, сможет ли город противостоять цунами. Город Догэн будет иметь радиус 1,58 км и длину внешнего периметра 4 км. Он проектирован так, чтобы предоставить жилье и работу для примерно 10 000 постоянных жителей, а также рассчитан на прием до 30 000 туристов. Его круглая форма спроектирована так, чтобы выдерживать сильное волнение окружающего моря и даже противостоять удару цунами. Проект будет разделен на три отдельные области: так называемое обитаемое кольцо, включающее в себя основную жилую зону, подводный центр обработки данных, который будет естественным образом охлаждаться морем и содержать центры управления городом и медицинские исследовательские центры, а также плавучую архитектуру внутри искусственной бухты, созданной кольцеобразной конструкцией. Предполагается обилие зеленых насаждений, плантации по выращиванию продуктов, школы, спортивные площадки, больницы, парки, стадионы, гостиницы и офисы. Кроме того, в N-Ark считают возможным размещение сразу за периметром города стартовой и посадочной площадки для ракет. Японцы явно верят в то, что проект Starship рано или поздно полетит и будет доставлять грузы не только на орбиту или Луну, но и в пределах Земли, как это обещал Илон Маск. 

При этот тот же Маск считает необходимым вынесение стартовых комплексов Starship в море как минимум на 30 км, чтобы минимизировать негативное воздействие старта тяжелых ракет на населенные районы побережья. Компания N-Ark считает, что город-остров будет потреблять всего около 2 миллионов литров питьевой воды в год, что довольно скромно. При этом он будет ежегодно производить 3 288 тонн отходов, которые нужно будет либо куда-то вывозить, либо как-то утилизировать — этот вопрос пока детально не проработан. Собственные мощности позволят производить в Догэне почти 7000 тонн продуктов питания и вырабатывать 22,2 ГВт электроэнергии. Выработка энергии будет комплексной — солнечные панели, ветряки и турбины, использующие подводные течения. Детали того, как плавучий город будет функционировать, на данном этапе невелики, хотя компания достаточно подробно проработала отдельные вопросы, например, устройство внешнего периметра, обеспечение его плавучести и функциональности. Какими могут быть вложения в подобный проект в компании N-Ark не раскрывают, но утверждают, что, если проект заинтересует потенциальных инвесторов, плавучий город может стать реальностью уже к 2030 году.

Две группы химиков одновременно сообщили о синтезе двухцепочечных органических ремней с топологией ленты Мебиуса. Химики из Японии разработали метод энантиоселективного синтеза скрученных ремней с помощью хирального родиевого катализатора. А их коллеги из Сингапура, Китая и Японии сообщили о первом синтезе полностью сопряженного трижды скрученного мебиусовского ремня. Из-за своей геометрии циклические молекулы с топологией Мебиуса обладают большой энергией напряжения — и поэтому их сложно синтезировать. Если в одной и той же реакции может получиться обычная циклическая молекула или мебиусовская лента — основным продуктом всегда будет простой цикл без скручиваний. Это еще более характерно для сопряженных молекулярных ремней, в которых сопряженные двойные связи предпочитают быть в одной плоскости, а не скручиваться. Несмотря на эти трудности, химики уже научились синтезировать полностью сопряженные молекулярные цепочки и ремни с мебиусовской топологией. Но примеров многократно скрученных мебиусовских ремней с полностью сопряженной системой связей не было известно до сих пор.

О синтезе такого вещества недавно рассказали химики под руководством У Цзи Шаня (Wu Jishan) из Национального университета Сингапура. Они провели реакцию Судзуки с двумя ациклическими исходниками, а получившуюся скрученную цепочку замкнули в ремень. В результате с выходом в 28 процентов образовался трижды скрученный углеродный ремень с топологией Мебиуса, причем все ароматические кольца в его структуре оказались сопряженными друг с другом. Затем полученное вещество авторы статьи разделили на два оптических изомера с помощью жидкостной хроматографии с хиральным сорбентом.

Схема последней реакции в синтезе трижды скрученного мебиусовского ремня / Wei Fan et al. / Nature Synthesis, 2023

Другая группа химиков под руководством Кена Танаки (Ken Tanaka) из Токийского технологического института занялась схожей проблемой. Ученые решили найти способ получать мебиусовские ремни в виде одного оптического изомера — то есть, энантиселективно. Для этого они решили использовать реакцию тримеризации, катализируемую фосфиновыми комплексами родия. Химики взяли комплекс родия с хиральным фосфином и смешали его с несколькими предварительно полученными циклическими полиинами — молекулами с несколькими тройными связями в структуре. В результате замыкания циклов в этих реакциях образовались углеродные ремни с разным количеством и конфигурацией скручиваний. Так, энантиомерный избыток в синтезе трижды скрученного мебиусовского ремня составил 86 процентов. А в синтезе дважды скрученного немебиусовского ремня — 96 процентов.

Общая схема синтеза ремней с применением хирального катализатора / Juntaro Nogami et al. / Nature Synthesis, 2023

В результате одна группа химиков впервые получила трижды скрученный полностью сопряженный молекулярный ремень, а вторая — разработала общий метод энантиоселективного синтеза молекулярных ремней с разной топологией и составом. Эти открытия помогут другим группам химиков синтезировать молекулярные ремни с заданными оптическими свойствами.