Криоэлектронная микроскопия показывает более высокую радиационную толерантность белков

Электронная микроскопия является одним из наиболее широко используемых методов для изучения структуры белка. Анализ этих структур чрезвычайно важен для описания их функции, предоставляя фундаментальные данные в нескольких областях, таких как исследования рака, клеточная биология, структурная биология и множество других биомедицинских областей. Кроме того, он также обеспечивает лучшее понимание биоминерализации.

Схематическое изображение белков гидратированных микротрубочек, инкапсулированных между двумя слоями графена, полученных с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ). Пример ПЭМ-изображения микротрубочки показан справа. Внутренняя подкладка отражает протофиламентную структуру полимерной микротрубочки. Бесплатно в этом пресс-релизе. (Изображение предоставлено INM, Niels de Jonge)

Жидкофазная электронная микроскопия, или LPEM, является новым вариантом для визуализации белков. Эта технология позволяет визуализировать нативную или неокрашенную структуру белка и другие образцы, такие как клетки или наноматериалы, в жидкости. LPEM был разработан за последние 15 лет. До сих пор обсуждался вопрос о том, будет ли радиационная стойкость жидких образцов хуже или лучше по сравнению с аморфным льдом.

Серкан Кескин и Нильс де Йонге из Института новых материалов INM-Leibniz теперь показали в своей недавней публикации, что радиационная стойкость повышена на порядок по сравнению с образцом во льду. Этот результат был достигнут путем подготовки образца микротрубочек в графеновой жидкой клетке. Было важно использовать минимально возможную скорость, с которой применялось облучение электронным пучком.

Обычно для фиксации и окрашивания образцов используют металл, чтобы улучшить их контраст, и затем эти образцы сушат, помещают в пластик, нарезают тонкими срезами и, наконец, визуализируют в вакуумной среде, необходимой для электронной микроскопии. Недостатки, связанные с этой пробоподготовкой, преодолеваются с помощью криоэлектронной микроскопии, которая позволяет исследовать белки в состоянии, близком к нативно-гидратированному, путем их формулирования в аморфном льду.

И наоборот, образцы очень чувствительны к облучению электронным пучком, что представляет собой серьезное ограничение. В результате, статистический шум, присутствующий на изображении, не позволяет получить высокое разрешение, и для разрешения структуры требуется несколько тысяч зашумленных изображений аналогичных структур.

Source link

Использование нанопроволоки Memristor для искусственной эмуляции биологических синапсов человеческого мозга

Одной из наиболее значительных трудностей, с которыми сталкиваются современные технологии, является эмуляция и понимание человеческого мозга: во-первых, возможность искусственно воспроизводить обработку сигналов мозга является одним из фундаментальных камней для развития искусственного интеллекта. ; с другой стороны, до понимания познавательных процессов в основе человеческого разума еще далеко.

Исследование, опубликованное в Nature Communications престижном журнале Джанлуки Милано и Карло Риккарди, аспиранта и профессора, соответственно, факультета прикладной науки и техники Политехнического университета Турина, символизирует шаг ближе к этим направлениям. На самом деле, статья под названием «Самоограниченные одиночные нанопроволочные системы, сочетающие универсальные мемристивные и нейроморфные функциональные возможности» продемонстрировала, как можно искусственно эмулировать активность синапсов или связи между нейронами, регулирующими процессы обучения в человеческий мозг в виде одной «нанопроволоки», диаметр которой в тысячи раз меньше диаметра волоса человека.

«Мемристор» – электронное устройство с возможностью искусственно воспроизводить функции биологических синапсов – поднимается на более высокий уровень производительности кристаллической нанопроволоки. Применение нанотехнологий, которые позволяют манипулировать веществом на атомном уровне, впервые позволило синаптическим функциям, которые были индивидуально эмулированы с использованием определенных устройств, быть объединены в одно устройство. С этой целью нанопроволока прокладывает путь для экстремальной миниатюризации «мемристора», тем самым значительно снижая сложность и энергопотребление электронных схем, необходимых для реализации алгоритмов обучения.

Начиная с 1971 года, когда «мемристор» был теоретически представлен профессором Леоном Чуа, который в настоящее время посещает профессора Политехнического университета в Турине, которому в 2015 году была присвоена почетная степень Университета, эта инновационная технология не только позволяет использовать меньшие размеры и более эффективные устройства, которые будут разработаны для реализации все более «интеллектуальных» компьютеров, но также являются важным шагом на пути к эмуляции и пониманию функционирования мозга.

Мемристор с нанопроволоками представляет собой модельную систему для изучения физических и электрохимических явлений, которые управляют биологическими синапсами на наноуровне. Работа является результатом сотрудничества между нашей исследовательской группой и Университетом RWTH в Аахене, Германия, при поддержке INRiM, Национального института метрологических исследований, и IIT, Итальянского технологического института .

Карло Риккарди, профессор кафедры прикладной науки и техники, Политехнический университет Турина.

Source link

Графен может революционизировать разработку носимых электронных устройств

Благодаря применению графена из удивительного материала, стремление к производству прочного, доступного и массового производства «умного текстиля» получило новый толчок.

(Фото предоставлено профессором Крейсоном Лаб)

Международная группа исследователей, возглавляемая профессором Моникой Крейчен из инженерного факультета Университета Эксетера, разработала новый метод производства полностью электронных волокон, которые могут быть интегрированы в производство повседневной одежды.

Развитие носимой электроники текущего поколения включает в себя крепление устройств к тканям, что может сделать их чрезвычайно жесткими и подверженными сбоям в работе. Однако в последнем исследовании электронные устройства встроены в ткань материала, и это достигается путем покрытия электронных волокон долговечными и легкими компонентами, которые позволят отображать изображения непосредственно на ткани.

По мнению ученых, открытие может трансформировать разработку носимых электронных устройств для приложений во многих различных повседневных приложениях, а также медицинской диагностики и мониторинга здоровья, таких как артериальное давление и частота сердечных сокращений.

Международное совместное исследование было сообщено в научном журнале Flexible Electronics . В исследовании приняли участие эксперты из Центра графеновых наук Университета Эксетера, CenTexBel в Бельгии, а также университетов Авейру и Лиссабона в Португалии.

Для достижения действительно носимых электронных устройств жизненно важно, чтобы компоненты могли быть включены в материал, а не просто добавлены к нему .

Моника Кракюн, профессор и соавтор исследования, инженерный факультет Университета Эксетера.

Доктор Элиас Торрес Алонсо, бывший аспирант в команде профессора Красиуна в Эксетере, а ныне научный сотрудник в Графене, добавил: « Это новое исследование открывает ворота для умного текстиля, который играет ключевую роль во многих областях в не слишком отдаленное будущее. Сплетая графеновые волокна в ткань, мы создали новую технику для полной интеграции электроники в текстиль. Единственные ограничения с настоящего момента находятся в пределах нашего собственного воображения . »

Графен имеет толщину всего в один атом, что делает его самым тонким веществом, способным проводить электричество. Это также один из самых сильных известных материалов и довольно гибкий. В последние годы для инженеров и ученых началась гонка за адаптацию графена для применения в носимых электронных устройствах.

В последнем исследовании использовались существующие полипропиленовые волокна, часто используемые в широком спектре коммерческих применений в текстильной промышленности, для фиксации новых электронных волокон на основе графена для разработки светоизлучающих и сенсорных устройств.

Инновационный метод означает, что ткани будут способны интегрировать действительно носимые дисплеи, но без необходимости использования электродов – проводов из дополнительных материалов.

Внедрение электронных устройств на ткани – это то, что ученые пытались производить в течение ряда лет, и это действительно кардинальное улучшение современных технологий .

Саверио Руссо, профессор и соавтор исследования физического факультета Университета Эксетера.

Ключом к этой новой технике является то, что текстильные волокна являются гибкими, удобными и легкими, при этом они достаточно долговечны, чтобы соответствовать требованиям современной жизни .

Доктор Ана Невес, соавтор исследования, инженерный факультет, Университет Эксетера.

Ранее в 2015 году международная группа исследователей, в том числе д-р Ана Невес, профессор Руссо и профессор Красьен из Университета Эксетера, разработали новый метод интеграции гибких, прозрачных графеновых электродов в волокна, часто связанные с текстильным сектором. .

Source link

Ученые создают памятный элемент из нанопроволок из оксида цинка

Исследователи из Forschungszentrum Jülich, вместе с коллегами из Турина и Аахена успешно создали мемристивный элемент на основе нанопроволоки, который работает примерно так же, как биологическая нервная клетка.

Изображение, полученное с помощью электронного микроскопа одного мемристора из нанопроволоки (выделено цветом, чтобы отличить его от других нанопроволок в изображение на заднем плане). Синий: серебряный электрод, оранжевый: нанопроволока, желтый: платиновый электрод. Синие пузырьки рассеяны по нанопроводу. Они состоят из ионов серебра и образуют мост между электродами, который увеличивает сопротивление. (Изображение предоставлено Forschungszentrum Jülich)

Компонент имеет возможность сохранять и обрабатывать данные, а также может принимать различные сигналы параллельно. Разработанная из нанопроволок из оксидных кристаллов, резистивная переключающая ячейка является идеальным решением для создания «нейроморфных» процессоров с биоинспирированием, способных выполнять различные функции биологических нейронов и синапсов.

В недавнем прошлом компьютеры, безусловно, многому научились. Благодаря быстрому прогрессу в области искусственного интеллекта компьютеры теперь могут переводить тексты, водить машины и побеждать чемпионов мира по шахматам. При этом усилия по искусственному моделированию обработки сигналов в человеческом мозге представляют собой серьезную проблему. Данные в нейронных сетях хранятся и обрабатываются до крайней степени параллельно. С другой стороны, обычные компьютеры быстро справляются с поставленными задачами и, очевидно, различают обработку и хранение данных. Как правило, нейронные сети могут воспроизводиться только очень неэффективным и громоздким способом с помощью традиционного оборудования.

Системы с нейроморфными чипами, которые имитируют работу человеческого мозга, обеспечивают значительные преимущества. По мнению экспертов в данной области, этот вид биоинспирированного компьютера обладает способностью работать децентрализованно и иметь множество процессоров, которые, подобно нейронам в мозге, соединяются друг с другом через сети. Если процессор работает со сбоями, другой из них возьмет на себя его функции. Кроме того, подобно мозгу, где практика приводит к лучшей передаче сигнала, биоинспиральный процессор должен обладать способностью к обучению.

С сегодняшней полупроводниковой технологией эти функции в некоторой степени уже достижимы. Эти системы, однако, подходят для конкретных применений и требуют много места и энергии. Наши нанопроволочные устройства, изготовленные из кристаллов оксида цинка, по своей природе могут обрабатывать и даже хранить информацию, а также чрезвычайно малы и энергоэффективны .

Доктор Илья Валов, научный сотрудник, Институт Петра Грюнберга, Forschungszentrum Jülich

В течение десятилетий было установлено, что мемристивные клетки имеют наилучшие возможности для того, чтобы взять на себя функцию синапсов и нейронов в компьютерах с биоинспирацией. Они изменяют свое электрическое сопротивление в зависимости от направления и интенсивности электрического тока, проходящего через них. Более того, их последнее значение сопротивления остается неизменным даже при отключении электричества, в отличие от традиционных транзисторов. Поэтому мемристоры по существу способны к обучению.

Для создания этих свойств исследователи из RWTH Aachen University и Forschungszentrum Jülich использовали одну нанопроволочку из оксида цинка, созданную их коллегами из политехнического университета в Турине. Этот тип нанопроволоки, размер которой составляет около десяти тысячных миллиметра, более чем в тысячу раз тоньше, чем одна прядь человеческих волос. Полученный таким образом мемристивный компонент не только занимает небольшое пространство, но и переключается довольно быстро, чем флэш-память.

По сравнению с другими твердыми телами нанопроволоки обеспечивают потенциальные новые физические свойства и применяются, среди прочего, в разработке инновационных типов компьютерных чипов, солнечных элементов, батарей и датчиков. Относительно просто изготавливать нанопроволоки, что приводит к тому, что указанные материалы осаждаются на подходящую подложку путем испарения, почти растущего сами по себе.

Чтобы создать работающую ячейку, каждый конец нанопроволоки должен быть соединен с соответствующими металлами, в данном случае серебром и платиной. Металлы работают как электроды, а также разряжают ионы, активируемые подходящим электрическим током. Кроме того, ионы металлов обладают способностью распространяться по поверхности проволоки и создавать мостик для изменения его проводимости.

Однако компоненты, разработанные из одиночных нанопроводов, все еще слишком изолированы и, следовательно, практически не могут быть применены к чипам. В результате команды Юлиха и Турина планируют создать и изучить мемристивный элемент, который содержит большую группу из нескольких сотен нанопроволок, которые сравнительно легко изготовить и предоставляют более интересные функции.

Source link

Графен, используемый для обнаружения БАС и других нейродегенеративных заболеваний

Чудеса графена многочисленны – он может улучшить емкость солнечного элемента, создать гибкие электронные компоненты, отфильтровать мельчайшие субатомные частицы и преобразовать батареи. Теперь «суперматериал» может в будущем использоваться для тестирования на боковой амиотрофический склероз (БАС) – прогрессирующее нейродегенеративное заболевание, которое диагностируется, как правило, путем исключения других заболеваний, согласно новому исследованию из Университета Иллинойса в Чикаго сообщается в ACS Applied Materials & Interfaces .

Как графен может использоваться для обнаружения биомаркеров ALS в спинномозговой жидкости. (Фото: Исследовательская лаборатория Берри, МСЖД)

Когда цереброспинальная жидкость от пациентов с БАС была добавлена ​​к графену, она вызывала уникальное и отличающееся изменение вибрационных особенностей графена по сравнению с тем, когда добавлялась жидкость от пациента без нейродегенеративного заболевания или когда жидкость от пациента с рассеянным склерозом был добавлен к графену. Эти отличающиеся различия точно предсказывали, от какого пациента поступила жидкость – у больного с МС, БАС или нейродегенеративным заболеванием.

Графен представляет собой материал толщиной в один атом, состоящий из углерода. Каждый атом углерода связан с соседними атомами углерода химическими связями. Эластичность этих связей дает резонансные колебания, также называемые фононами, которые можно измерять с высокой точностью. Когда молекула взаимодействует с графеном, она очень точно и количественно изменяет эти резонансные колебания.

«Графен имеет толщину всего в один атом, поэтому молекула на его поверхности по сравнению с ним огромна и может вызвать специфическое изменение энергии фононов графена, которое мы можем измерить», сказал Викас Берри, доцент и руководитель химического машиностроения в Инженерном колледже МСЖД и автор статьи. Изменения вибрационных свойств графена основаны на уникальных электронных особенностях добавленной молекулы, называемой ее «дипольным моментом».

«Мы можем определить дипольный момент молекулы, добавленной к графену, путем измерения изменений энергии фононов графена, вызванных молекулой», объяснил Берри.

Берри и его коллеги использовали графен, чтобы определить, была ли цереброспинальная жидкость от пациента с БАС или рассеянным склерозом – два прогрессирующих нейродегенеративных расстройства – или от кого-то, у кого нет нейродегенеративного заболевания. Поскольку не существует окончательного теста на БАС, объективный диагностический тест поможет пациентам начать лечение раньше, чтобы замедлить заболевание.

Цереброспинальная жидкость была получена из Центра ресурсов спинного мозга и головного мозга человека, в котором хранятся ткани и жидкости от умерших людей. Берри, доктор Анкит Мехта, доцент кафедры нейрохирургии и директор по онкологии позвоночника в Медицинском колледже МСЖД, и их коллеги проанализировали спинномозговую жидкость от семи человек без нейродегенеративного заболевания; из 13 человек с БАС; от трех человек с рассеянным склерозом и от трех человек с неопознанным нейродегенеративным заболеванием.

«Мы видели уникальные и отчетливые изменения в энергии фононов графена в зависимости от того, была ли жидкость у кого-то с БАС, рассеянным склерозом или у кого-то без нейродегенеративного заболевания» Берри. «Мы также смогли определить, была ли жидкость от кого-то старше 55 лет или моложе 55 лет, когда мы исследовали спинномозговую жидкость от пациентов с БАС. Мы считаем, что различия, которые мы видим между пожилыми и младшими пациентами с БАС, обусловлены уникальными биохимическими признаками, которые мы собираем и которые соответствуют наследственной БАС, которая обычно вызывает симптомы до 55 лет, и так называемой спорадической БАС, возникающей в более позднем возрасте »

Берри уверен, что графен обнаруживает эксклюзивные биосигнатуры – смеси белков и других биомолекул, которые присутствуют в спинномозговой жидкости людей с различными заболеваниями.

Электронные свойства графена были тщательно изучены, но только недавно мы начали изучать его фононные свойства как способ выявления заболеваний . И оказывается, что графен является чрезвычайно универсальным и точным детектором биосигнатур заболеваний, обнаруживаемых как в спинномозговой жидкости, так и в целых клетках.

Викас Берри, автор исследования, доцент и руководитель отдела химической инженерии, Инженерный колледж МСЖД

Бижентимала Кейшем из Инженерного колледжа МСЖД; Стивен Дениер, Пуян Хейрхан, Грегори Арноне, Абхирадж Бхимани и доктор Анкит Мехта из отделения нейрохирургии Медицинского колледжа МСЖД, Акоп Сексенян из Университета медицины и науки им. Розалинд Франклин, Чикаго, и Клайв Свендсен из Сидарс-Синай Медицинский центр, Лос-Анджелес, являются соавторами статьи.

Это исследование было поддержано грантом N00014-18-2583 из Управления военно-морских исследований, грантом CMMI-1503681 от Национального научного фонда и Университета Иллинойса в Чикаго, Seed Grant.

Source link

Топологический контроль электронов делает возможными будущие электронные дороги

745 ]

С целью найти новые способы расширить электронику за пределы использования кремния, физики проверяют другие свойства электронов, помимо заряда. В исследовании, опубликованном 7 декабря th в журнале Science команда под руководством профессора физики из Пенсильвании Джун Чжу иллюстрирует способ управления электронами на основе их энергии по отношению к импульсу Называемый «долиной степени свободы».

Топологический контроль электронов (изображенных в виде синих и красных машин) в двухслойном графене. (Фото предоставлено: Seana Wood / Penn State MRI)

«Представьте, что вы находитесь в мире, где электроны окрашены в красный или синий цвет», Чжу сказал, «и дороги, по которым движутся электроны, также окрашены в красный или синий цвет. Электронам разрешено путешествовать только по дорогам одного цвета, поэтому синий электрон должен превращаться в красный электрон, чтобы путешествовать по красной дороге ».

Два года назад команда Чжу продемонстрировала, что они могут строить двусторонние дороги с цветовой кодировкой из материала, известного как двухслойный графен. В результате их цветовой кодировки эти дороги являются топологическими. В настоящем исследовании ученые сделали перекресток с четырьмя путями, где цветовое кодирование дорог меняется на другую сторону. Таким образом, у вас возникает ситуация, когда синий автомобиль, едущий на север, подходит к этому перекрестку и узнает, что на другой стороне перекрестка дороги северного направления окрашены в красный цвет. Если электрон не может изменить цвет, ему запрещено двигаться дальше.

Эти дороги, по сути, представляют собой электронные волноводы, образованные воротами, которые определены с предельной точностью с использованием современной электронно-лучевой литографии. Цвета по существу являются индексом долины автомобилей, а цветовая кодировка дорог регулируется топологией волноводов, аналогично правилам правого и левого вождения в разных странах. Изменение цвета автомобилей требует «рассеяния между долинами», которое уменьшается в эксперименте, чтобы обеспечить управление движением.

То, чего мы добились здесь, – это топологический впадинный клапан, в котором используется новый механизм управления потоком электронов . Это часть начинающей области электроники под названием Valleytronics. В нашем эксперименте управление топологией – фиксация электронов долиной-импульсом – вот что заставило ее работать.

Джун Чжу, профессор физики, Penn State

В ходе исследования ученые спросили, куда пойдет фигуративная синяя машина, если она не сможет двигаться дальше?

«Он должен будет повернуть либо влево, либо вправо», сказал ведущий автор Цзин Ли, бывший аспирант Чжу, в настоящее время докторский научный сотрудник Лос-Аламосской национальной лаборатории.

«У нас есть дополнительные способы управления разворотным движением – путем постепенного перемещения полосы движения ближе к правому или левому повороту, процент электронов / автомобилей, поворачивающих вправо или влево, можно плавно настроить на 60 процентов в одну сторону 40 процентов – другое или любое другое сочетание процентов ».

Это контролируемое разделение известно как «светоделитель», что характерно для света, но его нелегко реализовать с помощью электронов. Чжу и Ли сказали, что они рады этому контролю, который они осуществили для своих дорог с цветовой кодировкой, поскольку он позволяет проводить более прогрессивные эксперименты в будущем.

«Создание устройства требует много шагов и довольно сложной электронной лучевой литографии», сказал Ли. «К счастью, современное производство нанотехнологий в штате Пенсильвания, а также команда профессиональных вспомогательных сотрудников позволили нам сделать все это».

Следующая задача для команды Чжу будет заключаться в том, чтобы попытаться сконструировать их устройства для работы при комнатной температуре, а не при очень низких температурах, в которых они в настоящее время нуждаются. Это достижимо, считает Жу, но сложно.

Подход, который мы использовали для создания этого устройства, является масштабируемым . Если появятся двухслойный графен и гексагональный нитрид бора большой площади, мы можем потенциально создать город топологических дорог и доставить электроны в места, куда им нужно идти, и все это без сопротивления. Это было бы очень круто.

Джун Чжу, профессор физики, Penn State

Помимо ведущего автора Ли и соответствующего автора Чжу, другими авторами научной статьи под названием «Клапан долины и электронный разделитель лучей» являются нынешние и бывшие аспиранты Руи-Син Чжан, Чжэньси Инь, Цзянсяо Чжан и профессор Чаосин. Лю, весь штат Пенсильвания; и Кэндзи Ватанабе и Такаши Танигучи из Национального института материаловедения, Цукуба, Япония.

Национальный научный фонд и Бюро военно-морских исследований в США, а также Инициатива по элементарной стратегии в Японии поддержали это исследование. Цзюнь Чжу является членом Государственного центра двумерных и многослойных материалов штата Пенсильвания.

Клапан долинного и электронно-лучевого делителя – профессор физики, штат Пенсильвания, Джун Чжу объясняет свое исследование, которое создает волноводы для электронов в двумерном материале графена. (Фото: Seana Wood / Penn State MRI)

Source link

Исследование помогает пропаганде классической теории нуклеации Гиббса

. Последние совместные исследования, проведенные исследовательской группой в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики Калифорнийского университета, Лос-Анджелеса и Вашингтонского университета, могут предложить инженерам инновационные правила проектирования для разработки микроэлектроники, тканей и мембран и подготовить почву для улучшения методов производства новых материалов.

. Пептиды в этом высокоупорядоченном двумерном массиве избегают предполагаемого зародышеобразовательного барьера путем сборки в рядном порядке, ряд мода. (Image credit: PNNL)

Между тем, исследование, опубликованное онлайн в журнале Science 6 декабря th 2018, помогает продвинуть научную гипотезу, которая не доказана более века. Согласно исследованию, очень похоже на то, как дети следуют правилу, чтобы выровнять один файл после перерыва, некоторые материалы используют фундаментальное правило для сборки на поверхностях по одной строке за раз.

Нуклеация – эта базовая формация – вездесущая в упорядоченных структурах по природе и технологии, от горных конфет до облачных капель. Однако, несмотря на определенные прогнозы, сделанные американским ученым Дж. Уиллардом Гиббсом в 1870-х годах, исследователи все еще не пришли к соглашению о том, как происходит этот основной процесс.

Теория Гиббса для материалов, которые образуют ряд за строкой, проверена новым исследованием. Во главе с Jiajun Chen, аспирантом UW, работающим в PNNL, исследование раскрывает основополагающий механизм, который объединяет основной пробел в знаниях и открывает инновационные пути в материаловедении.

Чен использовал небольшие фрагменты белка, известные как пептиды, которые проявляют специфичность или отличительную принадлежность к материальной поверхности. Специалисты UCLA обнаружили и использовали специфичные для материала пептиды, такие как эти вещества, в качестве контрольных агентов, чтобы заставить наноматериалы расти в определенные формы, например, предпочтительные в полупроводниковых устройствах или каталитические реакции. Исследователи обнаружили это при анализе того, как специфический пептид – пептид с сильным связыванием по отношению к дисульфиду молибдена – взаимодействует с материалом.

Это была полная интуиция. Мы не ожидали, что пептиды собираются в свои высокоупорядоченные структуры .

Джеймс Де Йорео, научный сотрудник, PNNL

Де Йорео является соавтором статьи и докторским советником Чэна.

Возможно, это произошло с тех пор, как « этот пептид был идентифицирован из процесса молекулярной эволюции. Похоже, что природа находят свой путь к минимизации потребления энергии и творить чудеса .

Ю. Хуан, научный сотрудник-корреспондент, профессор материаловедения и инженерии, UCLA

Для того, чтобы жидкая вода превращалась в твердый лед, необходимо создать интерфейс твердой и жидкой фазы. Классическая теория нуклеации Гиббса предполагает, что даже если конверсия воды в лед экономит энергию, энергия тратится на создание интерфейса. Замысловатая часть – это начальный старт – это именно тогда, когда площадь поверхности новой ледяной частицы больше ее объема, поэтому для создания частицы льда требуется больше энергии.

Согласно теории Гиббса, считается, что если материалы могут расти в одном измерении, то есть по очереди, такого энергетического штрафа не будет. Затем материалы могут предотвратить то, что исследователи называют зародышеобразующим барьером, и могут свободно собираться.

В последнее время идет дискуссия о теории зарождения. Некоторые ученые обнаружили доказательства того, что фундаментальный процесс, по сути, более сложный по сравнению с гипотезой, предложенной в модели Гиббса

Однако, « это исследование показывает, что, безусловно, существуют случаи, когда теория Гиббса хорошо работает – заявил Де Йорео, который также является научным сотрудником по науке и технике в области химии и материаловедения.

Ранее исследовательские работы уже продемонстрировали, что некоторые органические молекулы, например пептиды, подобные тем, которые содержатся в Science могут самособираться на поверхностях. Тем не менее, в PNNL, De Yoreo и его коллеги исследовали дальше и нашли средство, чтобы получить представление о том, как молекулярные взаимодействия с материалами влияют на их зарождение и рост.

. Пептидный раствор подвергался воздействию свежих поверхностей дисульфидного основания молибдена исследователями, и взаимодействия измеряли с помощью атомно-силовой микроскопии. Затем измерения сравнивались с симуляцией молекулярной динамики.

Де Юрео и его коллеги пришли к выводу, что даже на самых ранних стадиях пептиды привязывались к материалу по одному ряду за раз, безбарьерно, подобно предсказаниям теории Гиббса

Высокая скорость изображения, предлагаемая атомно-силовой микроскопией, позволила ученым наблюдать ряды, очень похожие на то, как они формировались. Результаты показали, что строки были заказаны с самого начала и росли с одинаковой скоростью независимо от их размера – важная часть доказательств. Они также образовывали новые ряды, как только достаточный пептид находился в растворе для роста существующих рядов; это возможно только в том случае, если формирование рядов не является барьерным.

Этот поэтапный процесс предлагает подсказки для разработки 2D-материалов. В настоящее время разработчики иногда создают системы, не имеющие равновесия или баланса, для формирования конкретных форм. Де Йорео заявил, что это сложно контролировать.

Но в 1D трудность получения вещей в упорядоченной структуре уходит. Тогда вы можете действовать прямо около равновесия и все еще расти эти структуры, не теряя контроль над системой .

Джеймс Де Йорео, научный сотрудник, PNNL

Он может изменить пути сборки для тех инженерных микроэлектроники или даже телесных тканей.

Хуан и ее коллеги из UCLA продемонстрировали инновационные возможности для устройств на основе 2D-материалов, созданных посредством взаимодействия в решении. Вместе с тем она заявила, что существующие ручные процессы, применяемые для разработки таких материалов, имеют ограничения, такие как возможности расширения.

Теперь с новым пониманием мы можем начать использовать конкретные взаимодействия между молекулами и 2D-материалами для автоматических сборочных процессов .

Ю. Хуан, научный сотрудник-корреспондент, профессор материаловедения и инженерии, UCLA

Де Йорео сказал, что следующим шагом будет создание искусственных молекул с теми же свойствами, что и пептиды, проанализированные в новой статье, только более прочные.

В PNNL Де Йорео и его коллеги находятся на поисках стабильных пептоидов, которые так же легко производить в виде пептидов, но могут лучше справляться с химическими веществами и температурами, используемыми в процессах для разработки предполагаемых материалов.

Enbo Zhu, Zhaoyang Lin и Xiangfeng Duan в UCLA; Хуан Лю и Хендрик Хайнц из Университета Колорадо, Боулдер; и Шуай Чжан в PNNL являются соавторами исследования. Моделирование проводилось с использованием Argonne Leadership Computing Facility, подразделения пользователя Министерства энергетики США. Исследование финансировалось Национальным научным фондом и Департаментом энергетики.

Видео кредит: PNNL

Source link

Исследователи растворяют водонерастворимый нанографит для получения двумерного молекулярного адгезива

Как правило, нанографен нерастворим в органических растворителях и воде, но это не помешало исследователям из Университета Кумамото (КУ) и Токийского технологического института (Токио Техник) найти способ растворения его в воде. ]

«Встроенные капсулы с мицеллами с помощью нанографа» могут быть получены путем простого измельчения и смешивания нанографена с амфифильными V-образными молекулами антрацена в воды при комнатной температуре. (Image credit: Associate Professor Soichiro Yoshimoto)

Исследователи использовали «молекулярные контейнеры», которые окружают нерастворимые в воде молекулы, чтобы разработать процесс образования наноэфирного адслоя – слоя, который химически взаимодействует с подстилающим веществом, просто объединяя нанографы и молекулярные контейнеры вместе в воде. Считается, что этот метод будет полезен для анализа и разработки передовых функциональных наноматериалов.

Графен – монослой атомов углерода – организован в виде листа. Более легкий, чем металл, графен обладает отличными электрическими свойствами и, как результат, привлекает большой интерес как сложный материал для электроники. Nanographene представляет собой структурно определенный граф размером nano, который имеет физические характеристики, отличные от графена. Хотя nanographene является полезным материалом для молекулярных устройств и органических полупроводников, его молекулярная группа нерастворима в широком спектре растворителей; кроме того, его основные физические характеристики недостаточно известны.

Используя мицеллы, водонерастворимые вещества могут быть растворены в воде. Хорошо известным примером мицеллы является мыло. Когда вода и мыльные мицеллы смешиваются вместе, образуются пузырьки, которые являются гидрофильными снаружи и гидрофобными внутри. Именно эти пузырьки ловят масляную грязь, что делает ее относительно легкой смыть водой.

Используя это свойство мицелл, д-р Мичито Йошидзава из Tokyo Tech создал амфипатические (молекулы, обладающие как гидрофильными, так и гидрофобными характеристиками) капсулы мицеллы. Основываясь на работе доктора Йошизавы, ученые KU создали капсулу с мицеллами для нерастворимых составных групп нанографа.

Используя капсулы с мицеллами, содержащие специфические химические структуры (антрацен) в качестве молекулярных контейнеров, команда KU ловко использовала молекулярные взаимодействия для успешного приема молекул нанографа в капсулах. Капсулы мицеллы ведут себя как подарки Санта-Клауса, а высокогидрофобные молекулы наномрофена (игрушка) внутри капсулы (оберточная бумага / коробка) отправляются на поверхность подложки из золота (Au) под водой (елка). В кислом водном растворе капсулы мицелл впоследствии испытывают изменение молекулярного состояния или равновесия, а нанографена внутри этих капсул адсорбируется и размещается на подложке Au, потому что она не может растворяться в воде без «защитной упаковки».

С помощью электрохимического сканирующего туннельного микроскопа или EC-STM, способного разрешать материальные поверхности на атомном уровне, команда смогла рассмотреть три формы молекул нанографа, таких как дикоронилен, циркофенил и овален , в молекулярном масштабе разрешение впервые. Через изображения наблюдалось, что молекулы, адсорбированные на подложке Au, часто выровнены, образуя высокоупорядоченный 2D молекулярный адсор.

Хотя в этой методике изготовления молекулярных адслой используются молекулы с ограничениями растворимости, ее также можно применять к другим молекулам разных типов. Кроме того, этот метод должен привлекать внимание как экологически чистая технология, поскольку он, безусловно, исключает использование опасных органических растворителей. Исследователи полагают, что это, возможно, проложит путь для новых направлений в научном исследовании nanographene.

Пару лет назад КУ столкнулся с серьезными проблемами из-за землетрясений в Кумамото 2016 года. Пока мы оправлялись от этой катастрофы, Tokyo Tech принимала старших студентов из нашей лаборатории в качестве специальных аудиторов. Этот совместный исследовательский проект начался с этого момента. Результаты этой работы являются прямым результатом быстрого реагирования и доброго сотрудничества Tokyo Tech в сложной ситуации, с которой мы столкнулись здесь, в Кумамото. Мы очень ценим их щедрую помощь. Разработанный нами метод также может быть применен к группе молекул с большей химической структурой. Мы ожидаем, что эта работа приведет к разработке молекулярных проводов, новых материалов для батарей, роста тонкопленочных кристаллов из точных молекулярных конструкций и дальнейшему выяснению фундаментальных физических свойств .

Сойхиро Йошимото, доцент и руководитель проекта, Университет Кумамото

Результаты исследования были опубликованы в Angewandte Chemie International Edition 23 октября 19459027 года 2018.

Source link

Институт Пол Шеррера получил первую в мире 200-миллиметровую фотолитографическую систему PhableR от EULITHA AG

EULITHA, швейцарская стартап-компания, предлагающая инновационное литографическое оборудование и услуги для рынков нанотехнологий, фотоники и оптоэлектроники, объявила сегодня о том, что она представила свою первую систему фотолитографии PhableR, способную формировать 200 мм пластины в Институт Пола Шеррера (PSI) , Швейцария.

В поставляемом инструменте для экспозиции PhableR 200 используется собственная технология литографии Displacement Talbot Lithium, которая обеспечивает надежную печать периодических паттернов с очень высоким разрешением, таких как решетки, необходимые для фазово-контрастного рентгеновского снимка, по низкой цене. Система PSI дополнительно включает в себя несколько пользовательских функций, которые были разработаны для удовлетворения конкретных потребностей исследовательской программы в институте.

PSI – крупнейший научно-исследовательский институт естественных и технических наук в Швейцарии, в котором работают более двух тысяч исследователей и других сотрудников. Институт управляет крупномасштабными исследовательскими объектами, такими как научно-исследовательская лаборатория синхротронов, швейцарский источник света и швейцарский бесплатный электронный лазер, а также чистые помещения для нанообработки.

Д-р. Константин Ефимов, ведущий исследователь, ответственный за приобретение и эксплуатацию системы в институте, сказал: «С помощью этой системы литографии от Eulitha мы сможем создавать периодические структуры с небольшими смолами на больших площадях с высоким соотношением сторон и на гибкие опоры. Это уникальное сочетание возможностей будет необходимо для создания необходимых оптических компонентов для нового поколения медицинских рентгеновских изображений. Мы действительно в восторге от потенциальных вкладов этой системы в наши исследования методов рентгеновской визуализации, которые направлены на то, чтобы диагностировать рак с повышенной чувствительностью на ранних стадиях и с более низкой дозой. При поддержке схемы финансирования ОЯТ-R'Equip система позволит нам укреплять сотрудничество с другими исследовательскими группами в Швейцарии и за рубежом. В дополнение к приложениям для рентгеновской визуализации мы планируем исследовать PhableR 200 в широком спектре применений, таких как фотоника, просветляющие поверхности, спектроскопия, биосенсоры, технология биоресурсов, исследование мембранного белка, мезоскопические системы, плазмоника, метаматериалы, SERS , MALDI, цветные фильтры и поляризаторы, энкодеры, наноструктурированные поверхности с особыми свойствами гидрофобности и др. »

Система, которую мы поставили в PSI, представляет собой значительный шаг в развитии нашей линейки фотолитографических систем PhableR, как мощного инструмента, способного полностью и без швов формировать подложки размером до 200 мм. Это развитие позволит нам обслуживать множество новых промышленных и исследовательских приложений, требующих шаблонирования крупных площадных субстратов. Мы с нетерпением ожидаем сотрудничества с исследователями и инженерами в PSI, чтобы способствовать наиболее эффективному использованию технологии для достижения целей исследований.

Др. Харун Солак, генеральный директор, Eulitha

Система PhableR 200 может выставлять периодические шаблоны, такие как линейные решетки или двухмерные массивы с размером элементов около 100 нм. Запатентованная бесконтактная визуализация технологии обеспечивает равномерную печать на не плоских подложках, часто используемых в фотонных и оптоэлектронных секторах. Eulitha ранее объявила о доставке литографических систем в Университет Лунда в Швеции и в Университет Ванны в Великобритании.

Eulitha AG является побочной компанией Института Пола Шеррера, Швейцария. Он специализируется на разработке литографических технологий для применения в оптоэлектронике и фотонике. Помимо фотолитографических машин для экспонирования, он производит и продает наноструктурированные подложки и шаблоны. PHABLE является зарегистрированным товарным знаком и фирменным наименованием собственной фотолитографической платформы Eulitha, которая включает в себя инструменты экспозиции и услуги парикмахерской.

Source link

Исследователи обнаружили, что уникальная нано- масштабированная ДНК-подпись может быть общей для всех раков

Исследователи из Австралийского института биоинженерии и нанотехнологий Университета штата Квинсленд (AIBN) обнаружили отличительную ДНК-подпись нанометрового масштаба, которая, по-видимому, является общей для всех видов рака.

Исходя из этого открытия, исследователи разработали инновационную технологию, которая позволяет быстро и легко обнаруживать рак любого типа ткани, такого как кровь или биопсия.

Исследование, поддержанное грантом Национального фонда рака молочной железы и сообщенное в журнале Nature Communications предлагает новые идеи о том, как эпигенетическое перепрограммирование в раке контролирует химические и физические свойства ДНК и может привести к в совершенно новом подходе к диагностике точек заботы.

Поскольку рак является чрезвычайно сложным и переменным заболеванием, было сложно найти простую подпись, общую для всех видов рака, но отличную от здоровых клеток .

Д-р Абу Сина, научный сотрудник, AIBN.

Чтобы преодолеть эту проблему, д-р Сина и д-р Лора Карраскоса, которые работают с профессором Мэттом Трау в AIBN, сосредоточились на чем-то известном как циркулирующая свободная ДНК.

Сродни здоровым клеткам, раковые клетки всегда находятся в процессе умирания и обновления. Когда они умирают, они по существу взрываются и освобождают свой груз, включая ДНК, который затем циркулирует.

«. Была большая охота, чтобы определить, есть ли какая-то четкая ДНК-подпись, которая находится только в раке, а не в остальной части тела – говорит доктор Карраскоса.

Поэтому команда исследовала эпигенетические закономерности геномов здоровых клеток и раковых клеток. Проще говоря, они искали образцы молекул, известных как метильные группы, которые украшают ДНК. Эти метильные группы жизненно важны для функции клеток, поскольку они служат сигналами, которые контролируют выбор конкретных генов, которые должны быть включены и выключены в любой заданный интервал.

Эти метильные группы широко распространены по всему геному в здоровых клетках. Однако исследователи AIBN обнаружили, что геном раковых клеток является фундаментально стерильным, за исключением интенсивных кластеров метильных групп в очень точном месте.

Эта уникальная подпись, которую они назвали раком «methylscape», для ландшафта метилирования, присутствовала во всех типах рака молочной железы, которую они исследовали, и также присутствовала в других формах рака, таких как лимфома, колоректальный рак и рак предстательной железы .

Практически каждая часть раковой ДНК, которую мы исследовали, имела этот весьма предсказуемый образец .

Мэтт Трау, профессор, AIBN.

По его словам, если клетка считается жестким диском, то новые открытия предполагают, что рак требует определенных генетических программ или приложений для того, чтобы функционировать.

« Кажется, что это общая черта для всего рака », – говорит он. « Это потрясающее открытие ».

Кроме того, команда обнаружила, что когда интенсивные кластеры метильных групп помещаются в раствор, они превращают фрагменты раковых ДНК в трехмерные наноструктуры, которые по существу любят прилипать к золоту

Исследователи использовали это для разработки анализа, в котором используются наночастицы золота, которые сразу меняют цвет в зависимости от того, присутствуют ли эти трехмерные наноструктуры раковой ДНК.

« Это происходит в одной капле жидкости », – говорит Трау. « Вы можете обнаружить это на глазу, это так же просто, как это ».

Кроме того, технология была адаптирована для электрохимических систем, что позволяет недорогое и портативное обнаружение, которое в конечном итоге может быть выполнено с помощью мобильного телефона.

На сегодняшний день они протестировали новую технологию на 200 образцах различных видов рака человека и здоровых клеток. В некоторых случаях точность обнаружения рака достигает 90%.

Он работает для геномной ДНК, полученной в тканях, и свободной от циркуляции свободной ДНК крови. Это новое открытие может стать игровым сменщиком в области диагностики рака точки зрения .

Д-р Абу Сина, научный сотрудник, AIBN.

Команда говорит, что она еще не идеальна, но она может стать многообещающим началом и со временем будет только улучшаться.

Мы, конечно, еще не знаем, является ли это Святой Грааль или нет для всех онкологических заболеваний, но он выглядит действительно интересным как невероятно простой универсальный маркер рака, а также как очень доступная и недорогая технология, которая не требуют сложного лабораторного оборудования, такого как секвенирование ДНК .

Мэтт Трау, профессор, AIBN.

Source link

Первая успешная демонстрация SEC-SAXS на лабораторной системе

. Значительное увеличение производительности в биоструктурных исследованиях достигается за счет устранения необходимости перехода на синхротрон для комбинации SAXS с SEC (хроматография исключения по размеру). В недавней публикации в журнале Applied Crystallography Saskia Bucciarelli (группа Bente Vestergaard) и коллаборационисты из Копенгагенского университета показывают, как они получили структурные детали водорастворимых белков с использованием этой комбинации методов. Использование SEC-SAXS является очень известным методом на синхротронных пучках. Это позволяет исследователям анализировать структуру очень деликатных образцов, таких как лабильные белки и комплексы с низкой аффинностью связывания, которые разваливаются при хранении или при транспортировке к синхротрону.

В сотрудничестве с Xenocs исследователи демонстрируют, что для ряда различных белков они получают данные, которые имеют достаточно высокое качество для извлечения структурной информации, и в то же время они могут работать с объемами образцов всего в 5 мкл – просто как на синхротроне! Одновременно с сбором шаблона SAXS измеряется поглощение УФ-Vis, что позволяет точно измерять концентрацию образца, что в свою очередь имеет важное значение для определения молекулярной массы.

SEC-SAXS в лаборатории не только дает результаты, сопоставимые с синхротронными данными, но и дает дополнительную выгоду! При повреждении синхротронного излучения часто, если не всегда, разрушается образец. В лаборатории это не проблема, поэтому ученые могут собирать образец после измерений и проводить дополнительные анализы на нем.

http://journals.iucr.org/j/issues/2018/06/00/vg5091/index.html

Source link

EV Group представляет новое поколение Fusion Wafer Bonder для масштабирования и обработки переднего конца «More Moore»

EV Group (EVG), ведущий поставщик оборудования для склеивания и литографии на рынке MEMS, нанотехнологий и полупроводников, сегодня представила новую автоматизированную систему слияния BONDSCALE ™. BONDSCALE спроектирован для работы с широким спектром приложений для сварки плавлением / молекулярной пластины, включая проектирование подложки и 3D-интеграции, которые используют обработку переноса слоев, такую ​​как монолитный 3D (M3D). С BONDSCALE EVG приносит пластинчатую связь с фронтальной полупроводниковой обработкой и помогает решать долгосрочные задачи для масштабирования логического устройства «More Moore», определенного в Международной дорожной карте для устройств и систем (IRDS). Включая усовершенствованную технологию выравнивания краев, BONDSCALE обеспечивает значительный рост производительности пластин и снижения стоимости владения (CoO) по сравнению с существующими платформами для склеивания слияния. Он уже отправляется клиентам.

BONDSCALE продается вместе с промышленным бенчмарком EVG GEMINI® FB XT, с каждой платформой, ориентированной на различные приложения. В то время как BONDSCALE будет в первую очередь ориентироваться на проектирование подложки и обработку переноса слоев, GEMINI FB XT будет поддерживать приложения, требующие более высокой точности выравнивания, такие как стеки памяти, 3D-системы на чипе (SoC), стекирование изображений CMOS с задней подсветкой и разбиение диска .

Автоматическая система слияния FON BONDSCALE от EV Group выполняет широкий спектр приложений для сварки плавлением / молекулярной пластины, включая инженерии и подходов к 3D-интеграции, которые используют обработку переноса слоев, такую ​​как монолитный 3D (M3D).

Прямая привязка вафельного ключа к управлению масштабированием производительности полупроводников

Согласно дорожной карте IRDS, паразитное масштабирование станет доминирующим драйвером производительности логических устройств в ближайшие годы, требуя новых транзисторных архитектур и материалов. В дорожной карте IRDS также отмечается, что для поддержки долгосрочного перехода от 2D к 3D VLSI потребуются новые подходы к 3D-интеграции, такие как M3D, включая распределение мощности на задней панели, укладку N & P, логическую память, кластерные функциональные стеки и вне CMOS принятие. Процессы переноса слоев и инженерные субстраты – это технологии для логического масштабирования, помогая значительно улучшить производительность, функциональность и энергопотребление устройства. Прямое связывание с пластинкой с активацией плазмы является проверенным решением для обеспечения гетерогенной интеграции различных материалов, высококачественных инженерных субстратов, а также приложений для переноса тонких кремниевых слоев.

«Являясь пионером и лидером на рынке пластин, EVG находится на переднем крае, помогая клиентам внедрять новые полупроводниковые технологии от ранних исследований и разработок до полномасштабного производства», – заявил Пол Линднер, исполнительный директор по технологиям EV Group. «Почти 25 лет назад EVG представила первый в отрасли кремниевый изолятор (SOI) для поддержки производства высокочастотных и радиационно-жестких устройств для нишевых приложений. С тех пор мы постоянно улучшаем производительность и CoO наши платформы для прямого соединения, чтобы помочь нашим клиентам принести преимущества разработанных подложек в более широкий спектр приложений. Наше новое решение BONDSCALE выводит это на новый уровень, повышая производительность, чтобы удовлетворить растущую потребность в инженерных подложках и обработке переноса слоев, чтобы обеспечить продолжение производительность, мощность и масштабирование областей логики и памяти следующего поколения в эпоху «More Moore».

BONDSCALE – это высокопроизводительная система для сварки сплавов / прямых пластин, необходимых для применения в передней части линии. Благодаря технологии плазменной активации EVG LowTemp ™ система BONDSCALE объединяет все основные этапы слияния – включая очистку, активацию плазмы, выравнивание, предварительное связывание и инфракрасное обследование – на одной платформе, которая подходит для широкого спектра сплавов / молекулярных пластин. Способность обрабатывать пластины размером 200 мм и 300 мм, система обеспечивает бесшумный, высокопроизводительный и высокопроизводительный процесс производства.

BONDSCALE включает в себя модули слияния / прямого соединения следующего поколения, новую систему обработки пластин и оптическое выравнивание по краям, чтобы обеспечить значительно более высокую пропускную способность и производительность, чтобы удовлетворить потребности своих клиентов в увеличении объема производства подложки подложки и интеграции M3D.

Более подробную информацию о системе автоматической сварки слияния BONDSCALE для инженерного субстрата и фронтальной пластины можно найти по адресу: https://www.evgroup.com/en/products/bonding/integrated_bonding/bondscale/.

Source link