Особенности развития науки в США

Академик Олег Фиговский

В США происходит уникальный в своем роде рывок в инвестициях в науку, инновации и исследования по широкому спектру направлений. С 2007 по 2012 годы на создание технологий, которые добавляют стоимость, а не валовые расходы, в среднем расходовалось 1,9% от ВВП по номиналу. С 2013 года началось постепенное ускорение, а с 2017 года — существенное ускорение, которое связано с технологической и экономической войной с Китаем. В 2017 году стало ясно, что США уступают Китаю в темпах инноваций и расходах на исследования и разработки.
К 1-му кварталу 2023 года расходы на создание технологий в США достигли исторического максимума после непродолжительной консолидации на высокой базе. Вместе с технологиями растут расходы на создание программного обеспечения, особенно расходы на создание искусственного интеллекта, которые составляют около 80% в структуре чистого приращения. Инновации и технологии определяют силу, устойчивость и конкурентоспособность экономики, долю национальной высокотехнологичной продукции в мировой торговле, что в свою очередь определяет уровень развития и благополучия общества.

9 мая 2023 года Пентагон опубликовал Стратегию оборонной науки и технологий (NDS). Во введении к этой стратегии отмечено:

«Как явствует из Стратегии национальной безопасности и Стратегии национальной обороны (СНБО) 2022 года, Соединенные Штаты находятся в середине решающего десятилетия, когда будут определены условия геополитического соперничества между крупнейшими мировыми державами. Министерство обороны будет продвигать свои приоритеты тремя взаимосвязанными способами — посредством интегрированного сдерживания, проведения кампаний и создания устойчивых преимуществ. Ускоренное развитие технологий и инновации являются ключевыми элементами для достижения приоритетов Министерства обороны с помощью этих стратегических способов и для обеспечения нашей национальной безопасности в долгосрочной перспективе. Лидерство США и союзников в области технологий и инноваций уже давно является частью нашего военного преимущества. Мы должны предпринять шаги, чтобы сохранить наше лидерство и противостоять нашим конкурентам, которые прямо нацелились на это преимущество. Чтобы ответить на этот вызов, NDS призывает к «широким и глубоким изменениям в том, как мы производим и управляем военным потенциалом… чтобы создать прочную основу для нашего военного преимущества». В соответствии с NDS, наше оборонное научно-техническое предприятие должно «использовать асимметричные американские преимущества: наш предпринимательский дух и наше разнообразие и плюралистическую систему идей и генерации технологий, которые способствуют беспрецедентному творчеству, инновациям и адаптации». Благодаря этим асимметричным преимуществам мы будем создавать, анализировать, тестировать, приобретать и защищать знания и инструменты, необходимые для соответствия трем стратегическим направлениям NDS.

В этой Стратегии оборонной науки и технологий мы определяем способы повышения нашего конкурентного преимущества. Мы сосредоточимся на Совместной миссии, создадим и разместим возможности быстро и масштабно, а также обеспечим основу для исследований и разработок».

Специфика развития науки в США заключается что большинство исследований выполняет университетами по грантовой системе, которые являются лидирующими в мире. Согласно Times Higher Educations World University Ranking 2023 среди 25 ведущих университетов мира 15 университетов США см. ниже.

(Московский университет им. Ломоносова занимает только 163 место в этом рейтинге, другие за границей первых 200). Далее мы рассмотрим новые исследования в США за последние месяцы 2023 года.

Коллектив физиков из США, Люксембурга и Германии предложил принципиально новый механизм образования межмолекулярного взаимодействия. Исследователи рассматривают его не как взаимодействие частиц, а как связь между волнами плотности заряда (электронов). Взаимодействие волн заряда определяет атомарную и молекулярную структуру различных материалов.

Атомы и молекулы, как известно, нейтральны, а значит, электрически взаимодействовать не должны. Но когда они расположены очень близко, так, что электронные оболочки атомов перекрываются, то происходит поляризация – смещение электронов относительно ядер, и образуются так называемые электрические диполи, с одной стороны которых расположен положительный заряд, а с другой отрицательный. А некоторые молекулы имеют дипольный характер изначально. В этом случае между молекулами появляются силы взаимодействия, названные по имени голландского физика Ван дер Ваальса, который ввел их в далеком 1869 году, чтобы объяснить, почему поведение реальных газов отличается от идеального газа. За свои работы он был удостоен Нобелевской премии за 1910 год.

Силы Ван дер Ваальса широко распространены в природе и играют решающую роль в образовании и устойчивости различных молекулярных структур в биологии, химии, физике и материаловедении. Например, как полагают, именно они обеспечивают стабильность двойной спирали ДНК. За последние два десятилетия далеко вперед шагнули нанотехнологии, позволившие создать материалы с уникальными свойствами, в частности, полимерные композиты, то есть материалы из нескольких составляющих. А для того, чтобы понять их свойства, надо представлять, как они самоорганизуются на молекулярном уровне. Сборка таких материалов происходит в основном за счет сил Ван-дер Ваальса. Поэтому интерес к этим силам не ослабевает. А эксперименты показывают, что с ними все не так просто. Развитие квантовой механики добавило вторую возможность возникновения сил Ван-дер Ваальса – благодаря флуктуациям вакуума. Вакуум по современным представлениям совсем не пуст. Он представляет собой кипящий суп из рождающихся и гибнущих различных виртуальных частиц и античастиц. Они также могут приводить к поляризации молекул и появлению межмолекулярных сил.

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. При расчетах траектории главное — добиться полета аппарата по запланированной траектории. Поскольку тейлситтеры — это сложные системы с роторами и закрылками, и должны выполнять сложные воздушные маневры, обычно расчеты траекторий занимают много времени. Введя дифференциальную плоскостность, конструкторы смогли использовать математическую функцию, чтобы быстро проверять осуществимость траекторий. С вычислительной точки зрения это просто и дешево. Испытания показали, что тейлситтеры с таким алгоритмом могут выполнять сложные фигуры пилотажа: петли, бочки, спирали, а затем три коптера устроили воздушную гонку, совершая сложные, синхронные маневры, имитирующие полет через разрушенное здание и уклонение от препятствий на большой скорости. Все эти действия было бы невозможно спланировать в реальном времени без нового алгоритма. И мультикоптеры, и дроны с неподвижным крылом потребляют много энергии при сопротивлении ветру. Беспилотник вертикального взлета и посадки Morpho, который объединил в себе качества крылатых дронов и квадрокоптеров, решает эту проблему с помощью трансформирующихся крыльев, которые адаптируются под потоки ветра. Дрон может использовать крылья как паруса, а не тратить энергию батареи на сопротивление ветру.   

Характеристики ячеистых материалов зависят от механических свойств ячеек. Такая структура позволяет, к примеру, костям сохранять прочность, оставаясь легкими. Специалисты из MIT (США) применили тот же подход для создания искусственных материалов. Меняя геометрию ячеек, они смогли настроить их механические, тепловые и акустические параметры. Разработка может найти применение в авиа- и автомобилестроении, в космонавтике. Сетчатые инженерные конструкции часто выполняют несущую функцию в композитных многослойных структурах. Так, например, устроено авиационное крыло, под оболочкой которого находятся пересекающиеся диагональные балки, образующие ячейки. Такая структура обладает высокой прочностью и малым весом. Ячейки, состоящие не из балок, а из пластин, еще прочнее, но из-за сложной формы их трудно изготавливать, особенно для крупных объектов.

Специалисты из MIT обошли эту трудность с помощью древнего японского искусства киригами — создания трехмерных объектов из определенным образом разрезанной бумаги. Для того чтобы прочно соединить ячеистые структуры с верхним и нижним слоем панели-сэндвича, инженеры модифицировали одну из техник сгибания бумаги и нашли способ крепить пластины без особого труда, на болтах или заклепках. В процессе проектирования и производства инженеры получили также возможность управлять определенными механическими свойствами: жесткостью, прочностью, модулем изгиба. Эту информацию, как и 3D-форму, они закодировали в кромкосгибочную карту, которая используется для создания подобных объектов. Для испытания метода были изготовлены алюминиевые структуры, которые показали прочность на сжатие свыше 62 кН при массе всего 90 кг на квадратный метр. При этом прочность материала позволяла выдержать в три раза больше нагрузки, чем обычный гофрированный алюминий. Такая технология может быть использована для производства разнообразных материалов — стальных и композитных — необходимых в аэрокосмической или автомобильной индустрии. В будущем, для облегчения непростого процесса моделирования таких конструкций, разработчики планируют создать доступные инструменты проектирования под CAD.

Специалисты по прикладной химии из США разработали новый, стабильный фотомеханический материал, способный трансформировать энергию света в механическую работу без выделения тепла или электричества. Разработка открывает инновационные возможности производства энергоэффективных, беспроводных и дистанционно управляемых систем для робототехники, космонавтики или биомедицины. Материал, созданный в Университете Колорадо в Боулдере, состоит из крошечных органических кристаллов, которые под действием света начинают сгибаться. Приводы, изготовленные из этих кристаллов, могут стать альтернативой соленоидам с возможностью беспроводного управления или питания роботов или транспортных средств. А повышение эффективности прямого преобразования света в работу позволяет избежать громоздких систем управления теплом и тяжелых электронных компонентов.  Отличие этих кристаллических приводов от тех, которые создавались ранее, в том, что они быстрее реагируют на свет, дольше служат и могут поднимать в процессе разгибания более весомый груз. Когда материал под действием света меняет форму, он действует как мотор или привод, сгибая или поднимая объекты намного большего веса. Например, полоска кристаллов массой 0,02 мг поднимает нейлоновый шарик массой 20 мг, то есть в 1000 раз больше. При создании материала были использованы массивы органических кристаллов внутри полимеров с губчатой структурой. Выросшие внутри пор размером в несколько микрон кристаллы обладают высокой долговечностью и эффективностью в производстве электроэнергии под действием света. Их гибкость и простота формовки делают их пригодными для широкого применения.  

На отопление и охлаждение помещений приходится 13% мирового энергопотребления и 11% выбросов парниковых газов. Ученые Стэнфордского университета изобрели новый вид краски, которая может сохранять в домах прохладу летом и тепло зимой, значительно снижая потребление энергии, расходы на нее и выбросы парниковых газов. Краска, отталкивающая инфракрасное излучение, выдерживает как экстремально высокие, так и низкие температуры, и ее можно наносить на любые поверхности. Современные краски с низким коэффициентом излучения обычно имеют металлический серебристый или серый цвет, который ограничивает их использование. Новые краски состоят из двух слоев, наносимых отдельно: отражающий инфракрасное излучение нижний слой с использованием алюминиевых хлопьев и ультратонкий, прозрачный для инфракрасного излучения, верхний слой с использованием неорганических наночастиц и с широким спектром цветов. Для сохранения тепла краску можно наносить на наружные стены и крыши. Большая часть этого инфракрасного света проходит через цветной слой краски, отражается от нижнего слоя и возвращается обратно в виде света, не поглощаясь строительными материалами в виде тепла. Чтобы сохранить тепло внутри, краски наносят на внутренние стены, где, опять же, нижний слой отражает инфракрасные волны. До 80% высокочастотного среднего инфракрасного света отражается красками, сохраняя тепло внутри в холодную погоду и снаружи в жару. Цветной слой также отражает некоторое количество ближнего инфракрасного света, снижая потребности в кондиционировании воздуха.

Исследовательская группа протестировала краски белого, синего, красного, желтого, зеленого, оранжевого, фиолетового и темно-серого цветов. Они оказались в 10 раз лучше, чем обычные краски тех же цветов, при отражении инфракрасного излучения. Двухслойная краска хорошо ложится на самые разные поверхности и материалы, поэтому ее можно наносить не только на здания. Например, можно красить грузовики и вагоны поездов, используемые для рефрижераторных перевозок, в которых затраты на охлаждение занимают до половины стоимости доставки грузов. Краски также протестировали на практичность в различных ситуациях. Оба слоя водоотталкивающие, что повышает устойчивость во влажной среде. Окрашенные поверхности можно очищать от грязи влажной тряпкой или водой. Эксплуатационные характеристики и эстетический вид красок не ухудшились после непрерывного воздействия в течение одной недели высокой температуры (80°C) и низкой температуры (-195°C). Высокая и низкая кислотность также не нанесли краске какого-либо вреда. Новые краски сократили потребление энергии для нагрева примерно на 36% в экспериментах в искусственной холодной среде. Энергия, необходимая для охлаждения, снизилась на 21% в искусственных теплых условиях. При моделировании типичного многоквартирного дома средней этажности в различных климатических зонах США с новой краской на наружных стенах и крышах общее потребление энергии на отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха уменьшилось на 7,4% в течение года.

Исследователи определили механизм, который отвечает за необычное поведение «странных металлов». Исследователи из Центра вычислительной квантовой физики Института Флэтайрона разработали теорию, которая объясняет почему в «странных металлах» течение электронов при низких температурах отличается от других ферми-жидкостей. Эта загадка ставила в тупик квантовых физиков на протяжении 40 лет. «Странные металлы» часто являются сверхпроводниками при очень низких температурах. Но при нагреве до критического уровня сопротивление в этих материалах начинает расти линейно и достигает больших значений. Это соотношение означает, например, что странный металл при нормальных условиях сопротивляется потоку электронов больше, чем обычный, такой как золото или медь. Идея ученых основана на сочетании двух свойств «странных металлов». Во-первых, их электроны могут быть квантово-механически запутаны друг с другом и остаются в таком состоянии даже на большом расстоянии. Во-вторых, «странные металлы» отличаются неоднородным, лоскутным расположением атомов. Неравномерность расположения атомов означает, что запутывания электронов различаются в зависимости от того, где оно произошло, объясняют физики. Это разнообразие добавляет хаотичности импульсу электронов, когда они движутся через материал и взаимодействуют друг с другом. Электроны в таком материале не текут в едином потоке, а толкают друг друга во всех направлениях, что приводит к электрическому сопротивлению. Поскольку частота столкновений изменяется с ростом температуры, электрическое сопротивление также увеличивается.

Изменение удельного сопротивления в обычных и «странных» металлах. Изображение: Lucy Reading-Ikkanda, Simons Foundation

Исследователи полагают, что лучшее понимание свойств таких материалов поможет физикам разрабатывать и настраивать новые сверхпроводники, например, для квантовых вычислений.

Ученые из MIT и их коллеги создали простое сверхпроводящее устройство, которое переносит ток эффективнее, чем это было возможно прежде. В результате новый диод, выступая в роли переключателя, существенно снижает расход электроэнергии вычислительных систем. Эффективность устройства вдвое выше, чем у аналогов. Диоды — устройства, позволяющие току двигаться только в одном направлении, широко применяются в вычислительных системах. Современные полупроводящие микрочипы содержат миллиарды таких элементов. Однако из-за электрического сопротивления они нагреваться и требуют большого количества энергии на охлаждение. По данным журнала Nature за 2018 год, такие прожорливые системы могут израсходовать почти 20% мировой выработки электроэнергии за десять лет. Три года назад специалисты из MIT занимались исследованием экзотических частиц — майорановских фермионов. Ученые предположили, что эти частицы могут привести к появлению новой семьи топологических кубитов, строительных элементов квантовых компьютеров. Обдумывая методы создания сверхпроводящих диодов, ученые установили, что платформа, которую они придумали для майорановских фермионов, может подойти и для решения проблемы диодов.  

Использовав эту платформу, они разработали новые варианты сверхпроводящих диодов, каждый эффективнее прежнего. Один из них, например, состоял из сверхпроводящего слоя с ферромагнитным изолятором. Под действием магнитного поля устройство создавало значительный диодный эффект, сохранявший стабильность даже когда магнитное поле отключали. Это происходило, как выяснили ученые, из-за действия экранирующего эффекта Мейснера. Крошечное магнитное поле, которое они применяли — либо напрямую, либо через ферромагнитный слой — активировало механизм экранирования тока для вытеснения внешнего магнитного поля и поддержания сверхпроводимости. Также ученые обнаружили, что другой ключевой фактор оптимизации этих диодов состоит в мельчайших различиях между двумя сторонами, или гранями устройства. Они создают нечто вроде асимметрии в том, как магнитное поле проникает в сверхпроводник. Разработав свои формы граней, исследователи оптимизировали эти различия и увидели, что они могут поднять эффективность с 20% до 50% с лишним.    

Новое исследование физиков из США показало, что спрятанный внутри магнитных материалов свет может существенно усилить их природные свойства. Изучение оптического резонанса магнитов имеет важное значение для разработки магнитных лазеров и магнитооптических запоминающих устройств, а также для технологии квантовой трансдукции. В новой статье журнала Nature ученые из Городского колледжа Нью-Йорка рассказали о свойствах многослойного магнита со связанными экситонами — квазичастицами с особенно сильным оптическим взаимодействием. Благодаря этому материал может улавливать свет. Как показали эксперименты, оптический отклик материала на магнитные феномены на порядки выше, чем у типичных магнитов. «Поскольку свет мечется вперед-назад внутри магнита, взаимодействие повышается само собой», — пояснил Флориан Дирнбергер, главный автор статьи. Обычно свет не реагирует на магнитное воздействие так сильно. А в этом случае отражение свет в ближнем инфракрасном спектре изменилось так сильно, что материал фактически сменил цвет. Что касается практического применения открытия, то ученые надеются, что однажды при помощи этого эффекта можно будет создавать магнитно-лазерные аппараты, а также переосмыслить прежние идеи магнитооптических носителей информации.

Исследователи Вашингтонского университета в Сент-Луисе разработали шариковую ручку со специальными чернилами, которые при «письме» создают гибкие, растягивающиеся оптоэлектронные устройства на повседневных материалах, включая бумагу, текстиль, резину, пластик и 3D-объекты. Простой и универсальный подход позволяет любому человеку изготовить собственный светодиод или фотодетектор без необходимости специального обучения или громоздкого оборудования. Гибкая оптоэлектроника может сгибаться и складываться, сохраняя при этом функциональность. Технология изготовления новых портативных устройств основана на более ранней работе ученых, в которой они продемонстрировали способ изготовления растягиваемых светодиодов с помощью струйного принтера. На сей раз исследователи задействовали шариковую ручку, наполненную специально разработанными чернилами из проводящих полимеров, металлических нанопроволок и перовскитов. Положив на материал слой за слоем эти чернила, подобно использованию ручек с разноцветными стержнями, можно создавать функциональные устройства, включая одноразовую электронику.

Команда уже разработала чернила для печати, но перед их использованием в стандартных шариковых ручках потребовалось несколько настроек. Главной задачей было контролировать степень смачиваемости и улучшить качество записи. Было важно, чтобы чернила можно было наносить на пористые и волокнистые подложки, такие как бумага и текстиль, без размазывания или смешивания. Слои должны были лежать отдельно, чтобы обеспечить функциональность и высокую производительность оптоэлектронных устройств и избежать нечеткого дизайна. Перевод чернил с принтера на шариковую ручку гораздо сложнее, чем может показаться. Чернила имеют особую формулу, что делает ручки универсальными и способными работать на разных материалах. Важно, чтобы каждый слой устройства был эластичным и мог выдерживать основные виды деформации — чтобы сгибание, растяжение и скручивание не влияли на его работу. Например, светодиоды, нарисованные на перчатке, должны выдерживать сжатие и разжатие кулака, а светодиоды на резиновом воздушном шаре — многократное надувание и сдувание.

Создание чернильных ручек, которые работают на разных поверхностях, от бумаги до воздушных шариков для вечеринок, позволяет избежать ограничений, связанных с использованием специальных плоских подложек и дорогостоящего оборудования для производства светодиодов. Это открывает новые возможности для разработки носимых электронных устройств следующего поколения и позволит электронике стать частью повседневной жизни в более широком спектре применений. Например, в области медицины рукописные излучатели и детекторы света предоставляют большую гибкость при создании носимых биомедицинских датчиков и повязок для каждого отдельного пациента. На такие устройства можно наносить фотодетекторы и инфракрасные светодиоды для измерения пульсоксиметрии или ускорения заживления ран.  

Ученые разработала новый метод вторичной переработки пластмасс в поверхностно-активные вещества, которые используются для создания моющих средств. Исследователи из Технологического института Вирджинии показали, что полиэтилен можно преобразовать в жирные кислоты, которые используются для производства мыла, моющих средств и других продуктов. Метод можно использовать для переработки пластиковых отходов в ценное сырье для производства. Химическая структура полиэтилена — одного из наиболее часто используемых пластиков в современном мире — похожа на структуру жирных кислот. Оба вещества состоят из длинных углеродных цепей, но жирные кислоты имеют дополнительную группу атомов на конце цепи. Для преобразования одного вещества в другое требовалось разбить длинные цепи в пластике на небольшие участки.

Исследователи заметили, что при неполном сгорании древесины целлюлоза, сложный органический полимер, разбивается на короткие цепи в составе дыма. Они работали над созданием способа контролируемого сжигания пластика, при котором формировался бы дым с короткоцепочечными полиэтиленоподобными молекулами. Исследователи построили небольшой реактор, похожий на печь, в котором они могли нагревать полиэтилен в процессе, называемом термолизом в температурном градиенте. Внизу печь находится при достаточно высокой температуре, чтобы разорвать полимерные цепи, а вверху охлаждается до достаточно низкой температуры, чтобы остановить дальнейшее разрушение. Собрав остатки, полученные при термолизе пластмассы исследователи подтвердили, что они представляли собой «полиэтилен с короткой цепью» (воска). Добавив еще несколько шагов обработки этого сырья, включая омыление, ученые получили первое в мире мыло из пластика. Хотя технология разработана для полиэтилена, тот же метод подойдет для преобразования других видов пластмасс. Исследователи отмечают простоту метода: в его основе два компонента — тепло и пластик. Хотя более поздние этапы процесса требуют некоторых дополнительных ингредиентов для преобразования молекул воска в жирные кислоты и мыло, первоначальное преобразование пластика является простой реакцией. Это способствует рентабельности метода, а также его сравнительно небольшому воздействию на окружающую среду.

США не остались в стороне от гонки вооружений и инноваций. Они инвестируют огромные суммы в разработку и производство нового поколения вооружения, которое должно было обеспечить им стратегическое преимущество над своими противниками. Ставят перед собой амбициозные цели и задачи, которые требуют применения самых передовых технологий и научных достижений. Не боятся экспериментировать и рисковать, чтобы получить желаемый результат. И вот, в 2023 году мы увидим плоды этих усилий. США готовы представить миру три новых типа вооружения, которые поразят своей эффективностью и уникальностью.

1. ГиперзвуковаяракетаAGM-183A ARRW (Air-Launched Rapid Response Weapon). Это новая разработка ВВС США, которая должна стать ответом на гиперзвуковое оружие России и Китая. Эта ракета способна развивать скорость более 5 Мах (6 тысяч километров в час) и лететь на высоте 40 километров. Она может поражать наземные и морские цели на расстоянии до 1600 километров с высокой точностью и маневренностью. Она запускается с борта стратегического бомбардировщика B-52H или истребителя F-15EX. Первые испытания этой ракеты состоялись в 2021 году, а в 2023 году она должна войти в серийное производство и поступить на вооружение ВВС США. Это будет самая быстрая и смертоносная ракета в арсенале США.
2. Лазерная система HELIOS (High Energy Laser and Integrated Optical-dazzler with Surveillance). Это новая разработка ВМС США, которая должна стать эффективным средством противовоздушной и противоракетной обороны. Эта система состоит из мощного лазерного излучателя мощностью 60 киловатт, который может поражать воздушные и поверхностные цели на расстоянии до 10 километров. Кроме того, система имеет оптический ослепитель, который может нарушать работу оптических и электронных приборов противника. Система также оснащена радаром и камерами, которые обеспечивают обнаружение и сопровождение целей. Система устанавливается на борту военных кораблей, таких как эсминцы класса ArleighBurkeили крейсера класса Ticonderoga. Первые испытания этой системы состоялись в 2020 году, а в 2023 году она должна быть развернута на нескольких кораблях ВМС США. Это будет самая мощная и продвинутая лазерная система в мире.
3. Беспилотный танк RCV(Robotic Combat Vehicle). Это новая разработка Армии США, которая должна стать революцией в области наземной войны. Это беспилотный танк, который может действовать самостоятельно или под управлением оператора на расстоянии. Он имеет модульную конструкцию, которая позволяет менять его вооружение и оборудование в зависимости от задачи. Он может быть оснащен пушкой калибра 30 или 50 миллиметров, пулеметом, гранатометом, противотанковыми ракетами или даже лазером. Он также имеет современные средства связи, навигации, разведки и защиты. Он может перемещаться по любой местности со скоростью до 70 километров в час и преодолевать препятствия высотой до 1 метра. Он может работать в течение 12 часов без подзарядки и перезаряжаться от других боевых машин или источников энергии. Первые испытания этого танка состоялись в 2020 году, а в 2023 году он должен быть принят на вооружение Армии США.

Такого рода новые разработки опираются на систематические исследования университетами США. Военно-морская лаборатория США профинансировала инновационный проект по разработке нового гиперзвукового двигателя, способного менять форму во время полета для оптимизации мощности, тяги и эффективности. Изобретение проходит стадию испытаний на одном из полигонов штата Флорида. Гиперзвуковая авиация и ракеты, летающие со скоростью в 5–20 раз больше скорости звука, составляет основу современной армии, и ведущие державы пытаются обогнать друг друга в создании оружия, движущегося с максимально возможной скоростью. Однако из-за особенностей аэродинамики на таких скоростях конструкторам приходится менять форму летательных аппаратов, создавая более гладкие поверхности вместо элеронов и закрылок. Команда инженеров из Университета Центральной Флориды применила этот подход к внутренним элементам гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД).

Та же команда под руководством профессора Карима Ахмеда в 2021 году первой в мире добилась стабильной работы вращающегося детонационного двигателя. Новый проект, получивший грант в размере $450 000, посвящен изучению возможности изменения поверхностей, которые участвуют в направлении воздушного потока в условиях сверхзвукового сгорания в ГПВРД. Профессор Ахмед и его команда уже разработали аэродинамическую модель для этого двигателя, которая проходит этап испытаний. «Большинство гиперзвуковых двигателей имеют фиксированную структуру из-за сложных полетных условий, — сказал профессор Ахмед. — Наше исследование впервые для такого типа гиперзвуковых двигателей продемонстрирует прирост производительности благодаря адаптивной конфигурации двигателя, которая самостоятельно оптимизирует поверхности для достижения максимальных значений мощности, тяги и дальности полета».

Специальность Nuclear Engineering подразумевает работу на стратегических объектах с повышенными мерами безопасности и конфиденциальности. Ядерный инженер – это специалист, работающий с процессами деления или слияния атомных ядер. Также специалисты работают с другими процессами атомного взаимодействия, в основе которых лежит ядерная физика. Профессия Nuclear Engineering включает в себя проектирование, создание и обслуживание ядерных реакторов, атомных электростанций, ядерного оружия, медицинского оборудования и др. В профессии выделяют три основных направления: Ядерная медицина, Ядерные материалы и Радиационная защита и измерения.  Профессию Nuclear Engineering предлагают многие университеты в США, и лучшие из них, это Stanford и Massachusetts Institute of Technology. Именно они занимают лидирующие позиции в рейтинге страны. Но поступить сюда могут не все желающие. Иностранным абитуриентам прямое поступление в эти ВУЗы недоступно.