Technologie

Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht ACS Angewandte Materialien und Grenzflächen. Das Subject material und der Sensormechanismus in dem neuen Gerät könnten leicht konstruiert werden, um andere spezifische Hormone nachzuweisen, sagen die Forscher – zum Beispiel Progesteron, ein Schlüsselmarker für die reproduktive Gesundheit von Frauen und Schwangerschaftsergebnisse.

„Wir haben uns von den natürlichen Enzymen inspirieren lassen, die in Blutzuckermessgeräten verwendet werden, die in Apotheken verkauft werden“, sagte Larry Cheng, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Informatik. „In Glukosemessgeräten werden spezifische Enzyme auf eine Elektrode aufgebracht, wo sie Glukosemoleküle einfangen und mit ihnen reagieren können, um ein elektrisches Sign für den Nachweis zu erzeugen. Es ist jedoch nicht einfach, natürliche Enzyme für den Cortisolnachweis zu finden, und natürliche Enzyme sind anfällig für Instabilität und haben eine kurze Lebensdauer.“

Enzyme sind von lebenden Organismen hergestellte Substanzen, die als Katalysatoren für biochemische Reaktionen wirken. Um die Herausforderungen zu bewältigen, die natürliche Enzyme mit sich bringen, haben Cheng und Sanjida Yeasmin, ein Doktorand, der die Studie leitete, ein stabiles, robustes künstliches Enzym entwickelt, das in der Lage ist, Cortisol empfindlich und selektiv zu erkennen.

Cortisol ist ein Hormon, das in den Nebennieren produziert wird. Hormone sind die chemischen Botenstoffe des Körpers, und Cortisol gehört neben Androgenen, Östrogenen und Gestagenen zu den Steroidhormonen. Steroidhormone spielen eine Rolle bei mehreren physiologischen Prozessen, einschließlich der sexuellen Entwicklung.

Cortisol hilft unter anderem bei der Bekämpfung von Infektionen, der Aufrechterhaltung des Blutdrucks und der Regulierung des Blutzuckers und des Stoffwechsels und wird auch als „Stresshormon“ bezeichnet, da es ausgeschüttet wird, wenn Menschen unter Druck stehen.

Cortisol ist kurzfristig vorteilhaft für den Umgang mit Rigidity, aber längere Perioden hoher Cortisolspiegel können schädliche Auswirkungen auf den Körper haben, wie z. B. ein erhöhtes Risiko für Angstzustände, Depressionen und Herzerkrankungen.

„Bei einem gesunden Menschen steigt und fällt der Cortisolspiegel je nach Tageszeit“, sagte Yeasmin. „Sie sind normalerweise morgens höher und nachts niedriger – das bedeutet, wenn Sie Cortisol effektiv überwachen wollen, ist eine schnelle und häufige Messung erforderlich.“

Cortisolspiegel werden am häufigsten durch Blut- oder Urintests in einer Klinik nachgewiesen, „was once Laborgeräte und geschultes Private erfordert und über 30 Minuten dauert, um die Messung abzuschließen“, sagte sie. „Außerdem müssen Patienten in der Regel mehr als zwei Tage warten, um die Ergebnisse zu erhalten.“

Um diese Probleme anzugehen, haben Yeasmin und Cheng einen „Enzym-Mimik-Sensor“ entwickelt, der die teuersten und zeitaufwändigsten Elemente herkömmlicher Cortisol-Checks vermeidet.

„Dieser Sensor ist natürlich enzymfrei, markierungsfrei und frei von Redox-Signalisierungssonden“, sagte Yeasmin. „Es ist ein robuster und integrierter Sensor, der für Level-of-Care-Anwendungen eingesetzt werden kann – wie am Bett einer Particular person, außerhalb einer Laborumgebung – und sogar für tragbare Anwendungen. Unser neuer Sensor ist empfindlicher und selektiver als die meisten gemeldeten Sensoren und daher zuverlässiger für die Stresshormonüberwachung.“

Das künstliche Enzym ist ein spezielles Polymer mit winzigen Zwischenräumen, die so geformt sind, dass sie nur Cortisolmoleküle aufnehmen. Diese Räume sind von Katalysatoren umgeben, die Cortisol reagieren lassen und elektrische Signale erzeugen. Durch die Messung der Signale kann die vorhandene Cortisolmenge bestimmt werden, ein wichtiges diagnostisches Hilfsmittel.

Zu hohe oder zu niedrige Cortisolspiegel können auf eine Nebennierenerkrankung wie die Addison-Krankheit hinweisen, die durch Bauchschmerzen, abnormale Menstruationsperioden, Dehydrierung, Übelkeit und Reizbarkeit gekennzeichnet ist, oder auf das Cushing-Syndrom, das Gewichtszunahme, Stimmungsschwankungen, Muskelschwäche und Diabetes verursachen kann .

„Der Sensor kann Cortisolspiegel im Schweiß innerhalb von Minuten erkennen, selbst wenn sie typischerweise 10.000 Mal weniger konzentriert sind als der Glukosespiegel im Blut“, sagte Cheng. „Das in dieser Technologie verwendete künstliche Enzym eröffnet neue Wege für die Entwicklung zukünftiger tragbarer Sensoren für die Gesundheitsüberwachung.“

Die Nationwide Science Basis und die Nationwide Institutes of Well being unterstützten diese Studie, an der auch die OSU-Absolventen Ahasan Ullah, Bo Wu und Xueqiao Zhang teilnahmen.

Neue Forschung führt Metamaterial Beton für die Entwicklung intelligenter ziviler Infrastruktursysteme ein. Das Papier „Multifunctional Nanogenerator-Built-in Metamaterial Concrete Techniques for Good Civil Infrastructure“ stellt ein neues Konzept für leichte und mechanisch abstimmbare Betonsysteme vor, die über integrierte Energiegewinnungs- und Sensorfunktionen verfügen.

„Die moderne Gesellschaft verwendet Beton seit Hunderten von Jahren im Bauwesen, nachdem es ursprünglich von den alten Römern geschaffen wurde“, sagte Amir Alavi, Assistenzprofessor für Bau- und Umweltingenieurwesen in Pitt, der der korrespondierende Autor der Studie ist. „Die huge Verwendung von Beton in unseren Infrastrukturprojekten impliziert die Notwendigkeit, eine neue Technology von Betonmaterialien zu entwickeln, die wirtschaftlicher und umweltverträglicher sind und dennoch fortschrittliche Funktionalitäten bieten. Wir glauben, dass wir all diese Ziele erreichen können, indem wir ein Metamaterial-Paradigma in die Entwicklung von Baumaterialien.“

Alavi und sein Crew haben zuvor selbstbewusste Metamaterialien entwickelt und ihre Verwendung in Anwendungen wie intelligenten Implantaten untersucht. Diese Studie stellt die Verwendung von Metamaterialien bei der Herstellung von Beton vor, wodurch es möglich wird, das Subject material speziell für seinen Zweck zu entwerfen. Eigenschaften wie Sprödigkeit, Flexibilität und Formbarkeit können bei der Herstellung des Fabrics fein abgestimmt werden, sodass Bauherren weniger Subject material verwenden können, ohne die Festigkeit oder Langlebigkeit zu beeinträchtigen.

„Dieses Projekt präsentiert den ersten zusammengesetzten Metamaterial-Beton mit Superkomprimierbarkeit und Energiegewinnungsfähigkeit“, sagte Alavi. „Solche leichten und mechanisch einstellbaren Betonsysteme können eine Tür für die Verwendung von Beton in verschiedenen Anwendungen öffnen, wie z.

Darüber hinaus ist das Subject material in der Lage, Strom zu erzeugen. Es kann zwar nicht genug Strom erzeugen, um Strom an das Stromnetz zu senden, aber das erzeugte Sign wird mehr als genug sein, um die Sensoren am Straßenrand mit Strom zu versorgen. Die vom Metamaterial Beton unter mechanischen Anregungen selbst erzeugten elektrischen Signale können auch zur Überwachung von Schäden innerhalb der Betonstruktur oder zur Überwachung von Erdbeben bei gleichzeitiger Reduzierung ihrer Auswirkungen auf Gebäude verwendet werden.

Letztendlich können diese intelligenten Strukturen sogar Chips mit Strom versorgen, die in Straßen eingebettet sind, um selbstfahrenden Automobiles zu helfen, auf Autobahnen zu navigieren, wenn GPS-Signale zu schwach sind oder LIDAR nicht funktioniert.

Das Subject material besteht aus verstärkten auxetischen Polymergittern, die in eine leitfähige Zementmatrix eingebettet sind. Die Verbundstruktur induziert eine Kontaktelektrisierung zwischen den Schichten, wenn sie mechanisch ausgelöst wird. Als Elektrode im Gadget dient der mit Graphitpulver angereicherte Leitzement. Experimentelle Studien zeigen, dass sich das Subject material unter zyklischer Belastung um bis zu 15 % komprimieren und 330 μW Leistung erzeugen kann.

Das Forschungsteam arbeitet mit dem Verkehrsministerium von Pennsylvania (PennDOT) über das IRISE-Konsortium in Pitt zusammen, um dieses Metamaterial Beton für den Einsatz auf Straßen in Pennsylvania zu entwickeln.

Die Arbeit könnte auch Licht auf kosmische Neutrinos werfen, die große Entfernungen zurücklegen und mit der Erde kollidieren, und so ein Fenster zu entfernten Teilen des Universums bieten.

Es ist das neueste Ergebnis des Ahead Seek Experiments oder FASER, eines Teilchendetektors, der von einer internationalen Gruppe von Physikern entworfen und gebaut und am CERN, dem Europäischen Rat für Kernforschung in Genf, Schweiz, installiert wurde. Dort entdeckt FASER Partikel, die vom Massive Hadron Collider des CERN produziert werden.

„Wir haben Neutrinos aus einer brandneuen Quelle entdeckt – Teilchenbeschleuniger – wo zwei Teilchenstrahlen mit extrem hoher Energie zusammenprallen“, sagte Jonathan Feng, Teilchenphysiker der UC Irvine und Co-Sprecher der FASER-Kollaboration, der das Projekt initiierte, an dem über 80 Forscher der UCI und 21 Partnerinstitutionen beteiligt sind.

Brian Petersen, ein Teilchenphysiker am CERN, gab die Ergebnisse am Sonntag im Namen von FASER auf der 57. Konferenz Rencontres de Moriond Electroweak Interactions and Unified Theories in Italien bekannt.

Neutrinos, die vor speedy 70 Jahren von dem verstorbenen UCI-Physiker und Nobelpreisträger Frederick Reines mitentdeckt wurden, sind die am häufigsten vorkommenden Teilchen im Kosmos und „waren sehr wichtig für die Etablierung des Standardmodells der Teilchenphysik“, sagte Jamie Boyd, a Teilchenphysiker am CERN und Co-Sprecher von FASER. „Aber noch nie wurde ein Neutrino, das an einem Collider produziert wurde, durch ein Experiment entdeckt.“

Seit der bahnbrechenden Arbeit von Reines und anderen wie Hank Sobel, UCI-Professor für Physik und Astronomie, waren die meisten Neutrinos, die von Physikern untersucht wurden, niederenergetische Neutrinos. Aber die von FASER nachgewiesenen Neutrinos haben die höchste Energie, die jemals in einem Exertions erzeugt wurde, und ähneln den Neutrinos, die gefunden werden, wenn Weltraumteilchen dramatische Teilchenschauer in unserer Atmosphäre auslösen.

„Sie können uns etwas über den Weltraum auf eine Weise erzählen, die wir sonst nicht lernen könnten“, sagte Boyd. „Diese sehr energiereichen Neutrinos im LHC sind wichtig, um wirklich spannende Beobachtungen in der Teilchenastrophysik zu verstehen.“

FASER selbst ist neu und einzigartig unter den Teilchennachweisexperimenten. Im Gegensatz zu anderen Detektoren am CERN wie ATLAS, der mehrere Stockwerke hoch ist und Tausende von Tonnen wiegt, ist FASER etwa eine Tonne groß und passt genau in einen kleinen Seitentunnel am CERN. Und es dauerte nur wenige Jahre, um unter Verwendung von Ersatzteilen aus anderen Experimenten zu entwerfen und zu bauen.

„Neutrinos sind die einzigen bekannten Teilchen, die die viel größeren Experimente am Massive Hadron Collider nicht direkt nachweisen können, additionally bedeutet die erfolgreiche Beobachtung von FASER, dass das volle physikalische Potenzial des Colliders endlich ausgeschöpft wird“, sagte UCI-Experimentalphysiker Dave Casper.

Abgesehen von Neutrinos besteht eines der Hauptziele von FASER darin, bei der Identifizierung der Teilchen zu helfen, aus denen dunkle Materie besteht, von der Physiker glauben, dass sie den größten Teil der Materie im Universum ausmacht, die sie aber nie direkt beobachtet haben.

FASER muss noch Anzeichen von Dunkler Materie finden, aber da der LHC in einigen Monaten eine neue Runde von Teilchenkollisionen beginnen wird, ist der Detektor bereit, alle auftretenden Teilchen aufzuzeichnen.

„Wir hoffen auf einige aufregende Signale“, sagte Boyd.

Simulationen auf dem Frontera-Supercomputer des Texas Complex Computing Middle (TACC) haben Wissenschaftlern dabei geholfen, erstmals die Bedingungen abzubilden, die Polaronen in 2D-Materialien, den dünnsten Materialien, die jemals hergestellt wurden, charakterisieren.

„Wir haben eine Karte erstellt, um anzuzeigen, in welchen Materialien Polaronen unter welchen Bedingungen und den Merkmalen ihrer Eigenschaften gefunden werden sollten“, sagte Feliciano Giustino, Professor für Physik und WA ‚Tex‘ Moncrief, Jr. Chair of Quantum Fabrics Engineering bei das Oden Institute for Computational Engineering and Sciences (Oden Institute) und das Division of Physics, School of Herbal Sciences, The College of Texas at Austin.

Das Verständnis von Polaronen kann dazu beitragen, die Leistung und Effizienz von Geräten wie Touchscreens für Telefone und Capsules und die organischen Leuchtdioden von OLED-Fernsehern zu verbessern, die auf dem elektrischen Ladungstransport durch Polaronen beruhen.

Darüber hinaus gilt die Erzeugung von Wasserstoffbrennstoff aus der Spaltung von Wasser durch Sonnenlicht als „heiliger Gral“ der Energiewissenschaft, ein Prozess, der durch Ladungstransport von Polaronen in Schlüsselmaterialien wie Titandioxid erreicht werden kann.

Giustino ist der Hauptautor der Arbeit, die im Februar 2023 in veröffentlicht wurde Naturphysik. Darin bestimmten er und Co-Autor der Studie Weng Hong Sio vom Oden Institute und der College of Macau die grundlegenden Eigenschaften von Polaronen in 2D-Materialien mithilfe von quantenmechanischer Theorie und Berechnung.

Bisher conflict wenig über Polaronen in 2D-Materialien bekannt. Polaronen wurden in den letzten 100 Jahren theoretisch intestine untersucht und für dreidimensionale Schüttgüter experimentell charakterisiert.

Giustino und Sio konzentrierten sich auf atomar dünne Kristall-Monoschichten aus hexagonalem Bornitrid (h-BN) auf Graphen als Fallstudie, bei der Polaronen im Volumenkristall und in der Monoschicht berechnet und verglichen wurden. Als nächstes erstellten sie ein verallgemeinertes Modell von Polaronen in 2D-Materialien.

„Unser Ziel conflict es zu verstehen, wo guy Polaronen in zwei Dimensionen finden kann und welche Eigenschaften sie haben. Dazu haben wir eine neue, von uns entwickelte Berechnungsmethode verwendet“, sagte Giustino.

Giustino am Oden Institute erfand EPW, einen Open-Supply-Fortran- und MPI-Code (Message Passing Interface), der Eigenschaften im Zusammenhang mit der Elektron-Phonon-Wechselwirkung unter Verwendung der Theorie der dichtefunktionalen Störung und maximal lokalisierter Wannier-Funktionen berechnet. Dieser Code wird derzeit von einer internationalen Zusammenarbeit unter der Leitung des Oden Institute entwickelt.

„Wir haben Supercomputer verwendet, um die Berechnungen durchzuführen, hauptsächlich die von DOE (Argonne Management Computing Facility und Nationwide Power Analysis Medical Computing) sowie Frontera bei TACC. EPW ist etwas, das wir sehr stark auf Frontera optimiert haben“, sagte Giustino.

Während der Texascale Days von TACC erhielt Giustino Zugriff auf die gesamte Maschine, used to be es seiner Gruppe ermöglichte, vollständige Systemläufe auf allen 448.000 CPU-Kernen von Frontera durchzuführen.

„Dank der DOE-Unterstützung haben wir das EPW in den letzten 4 Jahren für Exascale-Computing umgestaltet“, sagte Giustino. „Der Frontera-Supercomputer von TACC hat uns bei dieser Anstrengung geholfen. Wir haben es geschafft, den EPW-Code umzugestalten, um 92 % der idealen Skalierung zu erreichen Code.“

Der Frontera-Supercomputer von TACC, finanziert von der Nationwide Science Basis (NSF), ist das leistungsstärkste akademische Machine im Programm Function Science Packages (CSA) der US-Frontera und Teil des Planungs- und frühen Wissenschaftsprogramms für die Management-Elegance Computing Facility (LCCF) der NSF ), das zehnmal so leistungsfähig sein wird wie Frontera.

„TACC hat uns die Möglichkeit gegeben, die Codes auf Systemen in Originalgröße zu entwickeln, used to be sonst nirgendwo möglich conflict“, sagte Giustino.

Sein EPW-Code ist eines von 21 CSA-Projekten, die von TACC ausgewählt wurden, um für das LCCF bewertet und optimiert zu werden – diese neuesten Polaron-Simulationen sind mit Giustinos CSA-Projekt verknüpft.

Darüber hinaus setzt Giustino seine enge Zusammenarbeit mit TACC durch einen kürzlich vom NSF Place of business for Complex Cyberinfrastructure über das CSSI-Programm (Cyberinfrastructure for Sustained Medical Innovation) vergebenen Zuschuss zur Entwicklung von Tool zum Design neuer Materialien castle. Der Zuschuss wird die Entwicklung von Tool zur Gestaltung neuer Materialien finanzieren.

Das Division of Power (DOE) finanzierte Giustinos jüngste Arbeit mit Polaronen im Rahmen des DOE Place of business of Science, Fundamental Power Sciences, Computational Fabrics Sciences Award No. DE-SC0020129.

„Das Nationwide Power Analysis Medical Computing Middle (NERSC) hat die wichtigsten Ressourcen bereitgestellt, die wir für dieses DOE-Projekt verwenden. Wir haben einen erheblichen Teil unserer Berechnungen auf den Cori- und Perlmutter-Supercomputern bei NERSC durchgeführt“, sagte Giustino.

Die Berechnungen beziehen sich auf die Bildungsenergien, Wellenfunktionen und atomaren Verschiebungen von Polaronen, einem Quantenwellenpaket, das aus einem Elektron besteht, das von einer Wolke aus atomaren Schwingungen „bekleidet“ wird.

Elektronen allein verhalten sich wie delokalisierte Wellen, Polaronen verhalten sich anders, indem das Wellenpaket von einem Gitterplatz zum anderen springt. „Dieses Regime des ‚hüpfenden Transports‘ verleiht dem Subject material neuartige Eigenschaften und hat Auswirkungen auf das Design von Materialien für die Elektronik“, sagte Giustino.

Das Paket erstreckt sich über 10 Nanometer und umfasst etwa 30.000 Bor- und Stickstoffatome, wenn guy alle Wechselwirkungen zwischen den Atomen berücksichtigt. Diese Artwork der Berechnung ist derzeit mit Standardmethoden der Dichtefunktionaltheorie nicht möglich.

„Wir haben dieses Drawback in die Lösung eines sehr großen nichtlinearen Eigenwertproblems umgewandelt. Dann haben wir Supercomputer verwendet, um dieses gigantische Drawback der linearen Algebra zu lösen“, sagte Giustino.

„Wir glauben, dass wir mit diesen neuen Methoden, die wir durch den EPW-Code entwickelt haben, jetzt experimentelle Daten nutzen und unterstützen und neue Richtungen im Materialdesign sehen“, fügte er hinzu.

Giustino sagte: „Die Materialien, die wir heute kennen, sind nur ein winziger Bruchteil dessen, used to be möglich ist. Supercomputer sind der Schlüssel zur Erforschung dieses wertvollen und gigantischen Raums, ohne zuerst Milliarden in experimentelle Synthese und Materialcharakterisierung investieren zu müssen leichter erkennen, used to be möglich ist, etwas, wofür ich mich stark einsetze und von dem ich möchte, dass die USA ihre Führungsrolle in der Materialforschung durch nachhaltige Unterstützung des Hochleistungsrechnens behalten.“

Um Tiergruppen wie Zebras oder Gelada-Affen zu erforschen, haben Ben Koger, Blair Costelloe, Iain Couzin und andere Forscher vom Max-Planck-Institut für Verhaltensbiologie, dem „Centre for the Complicated Find out about of Collective Behaviour“ (CASCB) an der Universität von Konstanz und die Universität Aarhus entwickelten eine neue Methode zum Sammeln von Daten über das Verhalten von Tieren und die sie umgebende natürliche physische Landschaft mithilfe von Drohnen und Computervision.

Die Forscher verwenden bildgebende Drohnen, um ganze Tiergruppen in natürlichen Umgebungen aufzunehmen. Der Verhaltensökologe Blair Costelloe beschreibt die Methode: „Wir haben eine analytische Pipeline erstellt, mit der wir Drohnenaufnahmen aus der Luft machen und Informationen über die Standorte, Bewegungen und das Verhalten der Tiere extrahieren können. Wir können ihre räumliche Verteilung und ihre Verhaltenszustände messen und erhalten reichhaltige Informationen über ihre Umgebung, einschließlich der 3-D-Struktur der Umgebung.“

Monitoring vom Hard work ins Feld bringen

Früher erhielten Forscher meist hochpräzise Datensätze über die Dynamik von Tiergruppen unter streng kontrollierten Laborbedingungen, in denen Sie Experimente immer wieder wiederholen konnten. Aber das Staff fragte sich: „Können wir bildgebende Drohnen und neue Computeralgorithmen verwenden, um die gleichen Laboransätze zu verfolgen, sie aber in die Naturlandschaften zu bringen?“

Es ist möglich, aber es mussten mehrere Herausforderungen gelöst werden: „Wir haben oft 20 oder mehr verschiedene Personen gleichzeitig aufgenommen. Es würde Wochen dauern, in einer einzigen halbstündigen Videobeobachtung zu quantifizieren, wo sich jede der Personen befindet, wie ein Mensch“, sagte Ben Köger erklärt. „Die erste Herausforderung battle, wie wir die Tiere, an denen wir interessiert sind, automatisch erkennen können?“ Die Lösung bestand darin, leistungsstarke Deep-Finding out-Algorithmen zu trainieren. Die zweite Herausforderung: Die Forscher interessierten sich für die Bewegungen der Tiere, und doch enthielten die von ihnen aufgenommenen Movies nicht nur Tierbewegungen, sondern auch Drohnenbewegungen und Verzerrungen aus der hügeligen Landschaft, über die sie gefilmt wurden. All diese verschiedenen Elemente mussten entwirrt werden, bevor sie aussagekräftige Daten erhalten konnten.

Vorteile der neuen Methode

„Die Stärke unserer bildbasierten Methode liegt darin, dass sie eine allgemeine Lösung ist“, sagt Koger. Da die Drohnen nicht nur die Tiergruppe, sondern auch die Landschaft beobachten, erhält guy einen sehr breiten Datensatz, der Informationen zum sozialen und ökologischen Kontext aller Tiere der beobachteten Gruppe enthält. Dies ist möglich, weil sie die 3-D-Landschaft, die sie aufnehmen, explizit modellieren. Damit ist die Methode in jeder offenen Landschaft anwendbar und erlaubt Forschern, explizit die Auswirkungen des Lebensraums auf das Verhalten zu untersuchen. „Das ist ein wirklich starker Ansatz, der bisher sehr schwierig battle“, sagt Blair Costelloe. Ein weiterer Vorteil im Gegensatz zu einer anderen gängigen Methode besteht darin, dass Tiere nicht gefangen und mit Bewegungssensoren ausgestattet werden müssen, was once ein riskantes und teures Verfahren sein kann, insbesondere wenn mit gefährdeten Arten wie dem Grevy-Zebra gearbeitet wird.

Potenzial für den Einsatz

Weltweit gehen die Wildtierpopulationen aufgrund des Verlusts von Lebensräumen, des Klimawandels und anderer Bedrohungen zurück. Wenn Sie mehr darüber erfahren, wie sich Tiergruppen in komplexen natürlichen Umgebungen verhalten, kann dies dazu beitragen, Schutzmaßnahmen zu informieren und neue Einblicke in das Leben und Verhalten von Wildtierarten zu gewinnen.

In ihrem Papier, veröffentlicht am 22. März in der Zeitschrift für Tierökologieskizziert das Staff bestimmte Forschungsbereiche, in denen ihre Methode ein starkes Potenzial hat, neue Erkenntnisse zu gewinnen, wie etwa räumlich vermittelte Verhaltensprozesse, kollektives Verhalten mehrerer Tiere und Tier-Umwelt-Interaktionen. Das Papier enthält Fallstudien über Grevy-Zebras in Kenia und Gelada-Affen in Äthiopien. „Eine der Stärken unserer Methoden ist, dass sie an viele verschiedene Arten und Umgebungen angepasst werden können“, sagt Blair Costelloe. Deshalb ist sie optimistisch für den Einsatz der neuen Methode: „Ich denke, dass diese Methode ein Potenzial hat, uns dabei zu helfen, ein mechanistischeres Verständnis dafür zu entwickeln, wie individuelle Verhaltensweisen die für den Naturschutz interessanten Phänomene höherer Ordnung erzeugen.“ sagt Costelloe. Daher arbeitet das Staff nun an den generierten Daten, um bald mehr Einblicke in das Gruppenverhalten von Geladas sowie afrikanischen Huftieren wie Zebras zu geben.

Es könnte einen Paradigmenwechsel einleiten, der es Herstellern ermöglicht, schneller zu überprüfen, ob ihre autonome Fahrzeugtechnologie Leben retten und Unfälle reduzieren kann. In einer simulierten Umgebung führen von künstlicher Intelligenz trainierte Fahrzeuge gefährliche Manöver durch und zwingen das AV zu Entscheidungen, mit denen Fahrer nur selten auf der Straße konfrontiert werden, die jedoch erforderlich sind, um die Fahrzeuge besser zu trainieren.

Um wiederholt auf solche Situationen zur Datenerfassung zu stoßen, müssen reale Testfahrzeuge Hunderte Millionen bis Hunderte Milliarden Kilometer zurücklegen.

„Die sicherheitskritischen Ereignisse – die Unfälle oder Beinaheunfälle – sind in der realen Welt sehr selten, und AVs haben oft Schwierigkeiten, damit umzugehen“, sagte Henry Liu, UM-Professor für Bauingenieurwesen und Direktor von Mcity and the Middle for Attached and Computerized Transportation, ein regionales Verkehrsforschungszentrum, das vom US-Verkehrsministerium finanziert wird.

UM-Forscher bezeichnen das Downside als „Fluch der Seltenheit“ und gehen es an, indem sie aus realen Verkehrsdaten lernen, die seltene sicherheitskritische Ereignisse enthalten. Assessments, die auf Teststrecken durchgeführt wurden, die Stadt- und Autobahnfahrten nachahmen, zeigten, dass die KI-trainierten virtuellen Fahrzeuge den Testprozess um das Tausendfache beschleunigen können. Die Studie erscheint auf dem Quilt von Nature.

„Die AV-Testfahrzeuge, die wir verwenden, sind actual, aber wir haben eine Blended-Fact-Testumgebung geschaffen. Die Hintergrundfahrzeuge sind virtuell, used to be es uns ermöglicht, sie zu trainieren, um herausfordernde Szenarien zu erstellen, die nur selten auf der Straße vorkommen“, sagte Liu .

Das Group von UM verwendete einen Ansatz, um die Hintergrundfahrzeuge zu trainieren, der nicht sicherheitskritische Informationen aus den in der Simulation verwendeten Fahrdaten entfernt. Im Grunde beseitigt es die langen Zeitspannen, in denen sich andere Fahrer und Fußgänger auf verantwortungsvolle, erwartete Weise verhalten – bewahrt aber gefährliche Momente, die Maßnahmen erfordern, wie z. B. das Überfahren einer roten Ampel durch einen anderen Fahrer.

Indem nur sicherheitskritische Daten verwendet werden, um die neuronalen Netze zu trainieren, die Manöverentscheidungen treffen, können Testfahrzeuge in kürzerer Zeit auf mehr dieser seltenen Ereignisse stoßen, used to be das Testen viel billiger macht.

„Dense Reinforcement Studying wird das Potenzial der KI zur Validierung der Intelligenz sicherheitskritischer autonomer Systeme wie AVs, medizinischer Robotik und Luft- und Raumfahrtsysteme erschließen“, sagte Shuo Feng, Assistenzprofessor am Division of Automation der Tsinghua College und ehemaliger wissenschaftlicher Assistent am UM Transportation Analysis Institute.

„Es öffnet auch die Tür für ein beschleunigtes Coaching sicherheitskritischer autonomer Systeme durch die Nutzung von KI-basierten Testagenten, die eine symbiotische Beziehung zwischen Testen und Coaching schaffen und beide Bereiche beschleunigen können.“

Und es ist klar, dass die Schulung mit dem damit verbundenen Zeit- und Kostenaufwand ein Hindernis darstellt. In einem Bloomberg-Artikel vom Oktober heißt es, dass, obwohl die Fahrzeuge des Robotaxi-Führers Waymo in den letzten zehn Jahren 20 Millionen Meilen gefahren waren, weitaus mehr Daten benötigt würden.

„Das heißt“, schrieb der Autor, „seine Vehicles müssten 25-mal mehr fahren, bevor wir mit einiger Sicherheit sagen könnten, dass sie weniger Todesfälle verursachen als Busfahrer.“

Die Assessments wurden in der städtischen Umgebung von Mcity in Ann Arbor sowie auf der Autobahnteststrecke des American Middle for Mobility in Ypsilanti durchgeführt.

Mcity wurde 2015 eingeführt und struggle die weltweit erste speziell entwickelte Testumgebung für vernetzte und autonome Fahrzeuge. Mit der neuen Unterstützung der Nationwide Science Basis werden externe Forscher bald Far flung-Blended-Fact-Assessments durchführen können, die sowohl die Simulation als auch die physische Teststrecke verwenden, ähnlich den in dieser Studie berichteten.

Datensätze aus der realen Welt, die Mcity-Simulationen unterstützen, werden von intelligenten Kreuzungen in Ann Arbor und Detroit gesammelt, wobei weitere Kreuzungen ausgestattet werden müssen. Jede Kreuzung ist mit Sensoren zum Schutz der Privatsphäre ausgestattet, um jeden Verkehrsteilnehmer zu erfassen und zu kategorisieren und seine Geschwindigkeit und Richtung zu identifizieren. Die Forschung wurde vom Middle for Attached and Computerized Transportation und der Nationwide Science Basis finanziert.

Ceaselessly-Chemikalien, früher bekannt als PFAS (In line with- und Polyfluoralkylsubstanzen), sind eine große Gruppe von Substanzen, die bestimmte Produkte antihaft- oder schmutzabweisend machen. Es werden mehr als 4.700 PFAS verwendet, hauptsächlich in Regenbekleidung, Antihaft-Kochgeschirr, Fleckenschutzmitteln und Feuerlöschschaum. Die Forschung bringt diese Chemikalien mit einer Vielzahl von Gesundheitsproblemen in Verbindung, darunter hormonelle Störungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Entwicklungsverzögerungen und Krebs.

Um PFAS aus Trinkwasser zu entfernen, haben Dr. Mohseni und sein Staff ein einzigartiges adsorbierendes Subject material entwickelt, das in der Lage ist, alle in der Wasserversorgung vorhandenen PFAS einzufangen und zu halten.

Die PFAS werden dann mit speziellen elektrochemischen und photochemischen Techniken zerstört, die ebenfalls im Mohseni-Hard work entwickelt und teilweise in einem kürzlich in Chemosphere veröffentlichten neuen Artikel beschrieben wurden.

Obwohl derzeit Behandlungen auf dem Markt sind, wie Aktivkohle- und Ionenaustauschsysteme, die in Haushalten und in der Industrie weit verbreitet sind, fangen sie nicht alle verschiedenen PFAS effektiv ein oder erfordern eine längere Behandlungszeit, erklärte Dr. Mohseni.

„Unsere Adsorptionsmedien fangen bis zu 99 Prozent der PFAS-Partikel auf und können auch regeneriert und möglicherweise wiederverwendet werden. Das bedeutet, dass wir, wenn wir das PFAS von diesen Materialien abwaschen, keinen höher giftigen festen Abfall haben, der ein anderer sein wird große ökologische Herausforderung.“

Er erklärte, dass PFAS zwar nicht mehr in Kanada hergestellt werden, aber immer noch in vielen Verbraucherprodukten enthalten sind und dann in die Umwelt gelangen können. Wenn wir beispielsweise schmutzabweisende oder abweisende Sprays/Materialien auftragen, PFAS-behandelte Regenkleidung waschen oder bestimmte Schäume zum Löschen von Bränden verwenden, gelangen die Chemikalien in unsere Gewässer. Oder wenn wir PFAS-haltige Kosmetika und Sonnenschutzmittel verwenden, könnten die Chemikalien in den Körper gelangen.

Für die meisten Menschen erfolgt die Exposition durch Lebensmittel und Konsumgüter, aber sie können auch durch Trinkwasser exponiert werden – insbesondere, wenn sie in Gebieten mit kontaminierten Wasserquellen leben.

Dr. Mohseni, dessen Forschungsgruppe sich auch auf die Entwicklung von Wasserlösungen für ländliche, abgelegene und indigene Gemeinschaften konzentriert, bemerkte: „Unsere Adsorptionsmedien sind besonders vorteilhaft für Menschen, die in kleineren Gemeinschaften leben, denen es an Ressourcen mangelt, um die fortschrittlichsten und teuersten Lösungen zu implementieren, die Wasser aufnehmen könnten PFAS. Diese können auch in Shape von dezentralen und häuslichen Wasserbehandlungen verwendet werden.“

Das UBC-Staff bereitet sich darauf vor, die neue Technologie ab diesem Monat an einer Reihe von Standorten in BC zu testen.

„Die Ergebnisse, die wir aus diesen realen Feldstudien erhalten, werden es uns ermöglichen, die Technologie weiter zu optimieren und sie als Produkte bereitzustellen, die Kommunen, Industrie und Einzelpersonen verwenden können, um PFAS in ihrem Wasser zu eliminieren“, sagte Dr. Mohseni.

Die Veröffentlichung der Gruppe, „Gate-Tunable Heavy Fermions in a Moiré Kondo Lattice“, wurde am 15. März veröffentlicht Natur. Der Hauptautor ist Postdoktorand Wenjin Zhao am Kavli Institute in Cornell.

Das Projekt wurde von Relatives Fai Mak, Professor für Physik am School of Arts and Sciences, und Jie Shan, Professor für angewandte und technische Physik in Cornell Engineering und in A&S, den Mitautoren des Papiers, geleitet. Beide Forscher sind Mitglieder des Kavli-Instituts; Sie kamen durch die Initiative Nanoscale Science and Microsystems Engineering (NEXT Nano) des Provost nach Cornell.

Das Workforce machte sich daran, den sogenannten Kondo-Effekt zu untersuchen, der nach dem japanischen theoretischen Physiker Jun Kondo benannt ist. Vor etwa sechs Jahrzehnten entdeckten Experimentalphysiker, dass sie, indem sie ein Metall nahmen und sogar eine kleine Anzahl von Atomen durch magnetische Verunreinigungen ersetzten, die Leitungselektronen des Fabrics streuen und seinen spezifischen Widerstand radikal verändern konnten.

Dieses Phänomen verwirrte die Physiker, aber Kondo erklärte es mit einem Modell, das zeigte, wie Leitungselektronen die magnetischen Verunreinigungen „abschirmen“ können, so dass sich der Elektronenspin mit dem Spin einer magnetischen Verunreinigung in entgegengesetzten Richtungen paart und ein Singulett bildet.

Während das Kondo-Verunreinigungsproblem inzwischen intestine verstanden ist, ist das Kondo-Gitterproblem – eines mit einem regelmäßigen Gitter magnetischer Momente anstelle zufälliger magnetischer Verunreinigungen – viel komplizierter und stellt Physiker weiterhin vor ein Rätsel. Experimentelle Studien des Kondo-Gitter-Issues beinhalten normalerweise intermetallische Verbindungen von Seltenerdelementen, aber diese Materialien haben ihre eigenen Einschränkungen.

„Wenn Sie sich ganz nach unten zum Ende des Periodensystems bewegen, haben Sie am Ende etwa 70 Elektronen in einem Atom“, sagte Mak. „Die elektronische Struktur des Fabrics wird so kompliziert. Es ist sehr schwierig zu beschreiben, was once vor sich geht, selbst ohne Kondo-Wechselwirkungen.“

Die Forscher simulierten das Kondo-Gitter, indem sie ultradünne Monoschichten aus zwei Halbleitern stapelten: Molybdänditellurid, abgestimmt auf einen Mott-Isolierzustand, und Wolframdiselenid, das mit wandernden Leitungselektronen dotiert warfare. Diese Materialien sind viel einfacher als sperrige intermetallische Verbindungen und werden mit einer cleveren Wendung gestapelt. Durch die Drehung der Schichten um 180 Grad ergibt ihre Überlappung ein Moiré-Gittermuster, das einzelne Elektronen in winzigen Schlitzen einfängt, ähnlich wie Eier in einem Eierkarton.

Diese Konfiguration vermeidet die Komplikation von Dutzenden von Elektronen, die in den Seltenerdelementen zusammengewürfelt werden. Und anstatt die Chemie zu benötigen, um die regelmäßige Anordnung magnetischer Momente in den intermetallischen Verbindungen herzustellen, benötigt das vereinfachte Kondo-Gitter nur eine Batterie. Wenn eine Spannung genau richtig angelegt wird, wird das Subject material so angeordnet, dass es ein Gitter aus Spins bildet, und wenn guy eine andere Spannung anwählt, werden die Spins gequencht, wodurch ein kontinuierlich abstimmbares Gadget entsteht.

„Alles wird viel einfacher und viel kontrollierbarer“, sagte Mak.

Die Forscher konnten die Elektronenmasse und -dichte der Spins kontinuierlich einstellen, was once in einem herkömmlichen Subject material nicht möglich ist, und dabei beobachteten sie, dass die mit dem Spingitter bekleideten Elektronen 10- bis 20-mal schwerer werden können als das „nackte“. “ Elektronen, abhängig von der angelegten Spannung.

Die Abstimmbarkeit kann auch Quantenphasenübergänge induzieren, bei denen sich schwere Elektronen in leichte Elektronen verwandeln, mit der möglichen Entstehung einer „fremden“ Metallphase, in der der elektrische Widerstand linear mit der Temperatur zunimmt. Die Realisierung dieser Artwork von Übergang könnte besonders nützlich sein, um die Phänomenologie der Hochtemperatur-Supraleitung in Kupferoxiden zu verstehen.

„Unsere Ergebnisse könnten einen Labormaßstab für Theoretiker liefern“, sagte Mak. „In der Physik der kondensierten Materie versuchen Theoretiker, mit dem komplizierten Downside einer Billion wechselwirkender Elektronen fertig zu werden. Es wäre großartig, wenn sie sich nicht um andere Komplikationen wie Chemie und Materialwissenschaften in realen Materialien kümmern müssten untersuchen diese Materialien oft mit einem Kondo-Gittermodell einer ‚kugelförmigen Kuh‘. In der realen Welt kann guy keine kugelförmige Kuh erstellen, aber in unserem Subject material haben wir jetzt eine für das Kondo-Gitter erstellt.“

Mitautoren sind die Doktoranden Bowen Shen und Zui Tao; Postdoktoranden Kaifei Kang und Zhongdong Han; und Forscher des Nationwide Institute for Fabrics Science in Tsukuba, Japan.

Die Forschung wurde hauptsächlich vom Air Pressure Place of business of Medical Analysis, der Nationwide Science Basis, dem US-Energieministerium und der Gordon and Betty Moore Basis unterstützt.

Wenn es ihnen gelingt, eines zu lokalisieren, könnte es wertvolle Einblicke in die Zukunft der Erde und unser Risiko geben, ein außer Kontrolle geratenes Treibhausklima zu entwickeln, wie es die Venus tat.

Wissenschaftler, die das Papier geschrieben haben, begannen mit mehr als 300 bekannten terrestrischen Planeten, die andere Sterne umkreisen, sogenannte Exoplaneten. Sie kürzten die Liste auf die fünf, die der Venus in Bezug auf ihre Radien, Massen, Dichten, die Formen ihrer Umlaufbahnen und, was once vielleicht am wichtigsten ist, die Entfernung von ihren Sternen am ehesten ähneln.

Das Papier, erschienen in Das Astronomische Magazineordneten auch die Venus-ähnlichsten Planeten in Bezug auf die Helligkeit der Sterne, die sie umkreisen, was once die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass das James-Webb-Weltraumteleskop informativere Signale bezüglich der Zusammensetzung ihrer Atmosphären erhalten würde.

Die heutige Venus schwebt in einem Nest aus Schwefelsäurewolken, hat kein Wasser und weist Oberflächentemperaturen von bis zu 900 Grad Fahrenheit auf – heiß genug, um Blei zu schmelzen. Mit dem Webb-Teleskop zur Beobachtung dieser möglichen Venus-Analoga oder „ExoVenusen“ hoffen Wissenschaftler zu erfahren, ob die Dinge für unsere Venus jemals anders waren.

„Eine Sache, die wir uns fragen, ist, ob die Venus einmal bewohnbar gewesen sein könnte“, sagte Colby Ostberg, Hauptautor der Studie und Ph.D. Scholar. „Um dies zu bestätigen, wollen wir uns die kühlsten Planeten am äußeren Rand der Venuszone ansehen, wo sie weniger Energie von ihren Sternen bekommen.“

Die Venuszone ist ein Konzept, das 2014 vom UCR-Astrophysiker Stephen Kane vorgeschlagen wurde. Es ähnelt dem Konzept einer bewohnbaren Zone, einer Area um einen Stern, in der flüssiges Oberflächenwasser existieren könnte.

„In der Venuszone wäre es zu heiß, um Wasser zu haben, aber nicht heiß genug, dass die Atmosphäre des Planeten abgezogen wird“, erklärte Ostberg. „Wir wollen Planeten finden, die noch signifikante Atmosphären haben.“

Es ist auch wichtig, einen Planeten zu finden, der der Venus in Bezug auf die Planetenmasse ähnelt, da die Masse beeinflusst, wie lange ein Planet in der Lage ist, ein aktives Inneres aufrechtzuerhalten, wobei die Bewegung von Gesteinsplatten über seine äußere Hülle als Plattentektonik bekannt ist.

„Die Venus hat 20 % weniger Masse als die Erde, und daher glauben Wissenschaftler, dass es dort möglicherweise keine tektonische Aktivität gibt. Daher hat es die Venus schwer, Kohlenstoff aus ihrer Atmosphäre zu entfernen“, erklärte Ostberg. „Der Planet kann es einfach nicht loswerden.“

Ein weiterer Aspekt eines aktiven Planeteninneren ist die vulkanische Aktivität, und erst in diesem Monat aufgedeckte Beweise deuten darauf hin, dass es auf der Venus immer noch aktive Vulkane gibt. „Die große Anzahl von Venus-Analoga, die in unserem Artikel identifiziert wurden, wird es uns ermöglichen zu testen, ob eine solche vulkanische Aktivität die Norm unter ähnlichen Planeten ist oder nicht“, sagte Kane, der die Studie mitverfasste.

Das Forschungsteam schlägt die in der Veröffentlichung identifizierten Planeten als Ziele für das Webb-Teleskop im Jahr 2024 vor. Webb ist das teuerste und fortschrittlichste Beobachtungsinstrument, das jemals entwickelt wurde, und wird es Wissenschaftlern ermöglichen, nicht nur zu sehen, ob die Exovenusen Atmosphären haben, sondern auch, welche sie haben. wieder aus.

Die Webb-Beobachtungen könnten Biosignaturgase in der Atmosphäre einer ExoVenus aufdecken, wie Methan, Methylbromid oder Lachgas, die das Vorhandensein von Leben signalisieren könnten.

„Der Nachweis dieser Moleküle auf einer ExoVenus würde zeigen, dass bewohnbare Welten in der Venuszone existieren können, und die Möglichkeit einer gemäßigten Periode in der Vergangenheit der Venus verstärken“, sagte Ostberg.

Diese Beobachtungen werden durch die beiden bevorstehenden NASA-Missionen zur Venus ergänzt, bei denen Kane eine aktive Rolle spielen wird. Die DAVINCI-Undertaking wird auch Gase in der Venusatmosphäre messen, während die VERITAS-Undertaking Three-D-Rekonstruktionen der Landschaft ermöglichen wird.

All diese Beobachtungen führen zu der ultimativen Frage, die Kane in vielen seiner Arbeiten stellt, die versuchen, die Divergenz Erde-Venus im Klima zu verstehen: „Ist die Erde seltsam oder ist die Venus die seltsame?“

„Es könnte sein, dass sich der eine oder andere auf ungewöhnliche Weise entwickelt hat, aber das ist schwer zu beantworten, wenn wir in unserem Sonnensystem nur zwei Planeten zu analysieren haben, Venus und Erde. Die Exoplaneten-Erkundung wird uns die statistische Aussagekraft geben, das zu erklären Unterschiede, die wir sehen“, sagte Kane.

Wenn sich herausstellt, dass die Planeten auf der neuen Liste tatsächlich der Venus sehr ähnlich sind, würde das zeigen, dass das Ergebnis der Evolution der Venus üblich ist.

„Das wäre eine Warnung für uns hier auf der Erde, denn die Gefahr ist actual. Wir müssen verstehen, was once dort passiert ist, um sicherzustellen, dass es hier nicht passiert“, sagte Kane.

Forscher bauen mehrere große Neutrionenexperimente, darunter DUNE und die Sanford Underground Analysis Facility. Diese Experimente werden dazu beitragen, präzise Messungen der Eigenschaften von Neutrinos durchzuführen. Dies wiederum wird Fragen darüber beantworten, wie Neutrinos die Struktur unseres Universums beeinflusst haben. Diese Experimente erfordern ein genaues Verständnis darüber, wie Neutrinos mit den schweren Kernen in den Experimenten interagieren, wie etwa Argon im Fall von DUNE. Um eine Theorie dieser Wechselwirkungen zu erstellen, müssen die Auswirkungen der Neutrino-Streuung von Protonen oder Neutronen und die Auswirkungen der Bindung im Kern getrennt werden. Durch die Messung dieser Eigenschaft freier Protonen werden die Ergebnisse von MINERvA dazu beitragen, vollständigere Theorien über Neutrino-Wechselwirkungen zu erstellen.

Die größte Herausforderung bei der in dieser neuen Forschungsarbeit beschriebenen Messung besteht darin, dass der Wasserstoff im Detektor von MINERvA chemisch halb und halb in Kunststoff mit Kohlenstoffatomen vermischt ist. Es gibt sechs Protonen im Kohlenstoffatom, daher ist die Kohlenstoffhintergrundreaktion viel größer. Durch die Entwicklung einer neuartigen Technik zur Messung der Richtung des ausgehenden Neutrons in der Reaktion Anti-Myon Neutrino auf Proton erzeugt Anti-Myon und Neutron, Forscher können die beiden Reaktionstypen trennen. Dies ermöglicht die Untersuchung der verbleibenden Hintergründe unter Verwendung derselben parallelen Reaktion in einem Neutrinostrahl, bei dem keine Reaktion an den Wasserstoffatomen möglich ist. Diese Strukturmessung wird als axialer Vektorformfaktor des Protons interpretiert, ein Fachausdruck für die Struktur, die durch Neutrino-Streuung offenbart wird, so dass sie als Enter für Vorhersagen von Neutrino-Reaktionen verwendet werden kann.

Diese Arbeit wurde vom Division of Power Administrative center of Science, Administrative center of Top Power Physics, von den Messersmith Graduate Fellowships der College of Rochester und von den Graduate Analysis Fellowships der Nationwide Science Basis finanziert. Der Fermilab Accelerator Advanced, der den für MINERvA und andere Experimente verwendeten NuMI-Neutrinostrahl erzeugt, ist eine Benutzereinrichtung des DOE Administrative center of Science.