Крупнейший в мире рентгеновский лазер обнаружил ранее неизвестный тип льда, который остаётся твёрдым при комнатной температуре

Учёные сжали воду между двумя алмазами, чтобы создать совершенно новую форму льда, которая остаётся твёрдой при комнатной температуре.

Лёд под названием «лёд XXI» образуется, когда вода подвергается экстремальному давлению и становится метастабильной — переходит в неустойчивое состояние, которое при малейшем возмущении становится физически нестабильным.

Исследователи создали лёд XXI путём сверхсжатия воды между двумя алмазами и обнаружили его с помощью Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL), крупнейшего в мире рентгеновского лазера. Команда обнаружила, что сверхсжатая вода структурно изменяется, переходя из состояния высокой плотности в состояние очень высокой плотности. Это открытие может иметь значение для космических исследований, и говорит о новых возможностях для образования льда на других планетах.

«Наши результаты предполагают, что может существовать большее количество высокотемпературных метастабильных фаз льда и связанных с ними путей перехода, что потенциально может дать новые представления о составе ледяных лун», — заявила соавтор исследования Рэйчел Хасбанд, постдокторский исследователь в немецком исследовательском центре German Electron Synchrotron.

Лёд XXI является 21-й известной фазой льда — среди других можно отметить четырёхгранные кристаллы льда XIX и звездообразный горячий суперионный лёд. Вода может существовать во множестве твёрдых фаз благодаря своей молекулярной структуре.

В новом исследовании учёные изучили пути перехода льда при комнатной температуре, которая составляет около 22°С. Команда использовала алмазную наковальню — устройство, которое использует чрезвычайную твёрдость алмазов для воздействия на материалы огромным давлением. В данном случае вода подвергалась давлению, примерно в 20 000 раз превышающему давление нормального воздуха на Земле, что приводило к сжатию молекул H2O до такой степени, что они образовывали твёрдую структуру. XFEL сканировал образец каждую микросекунду, отслеживая изменения его структуры.

Таинственное свечение в центре Млечного Пути может изменить одну из основных космических теорий

Новые симуляции показывают, что тёмная материя в центре нашей галактики имеет «сплющенную» форму, а не круглую, как считалось ранее. Это открытие может указать на происхождение загадочного высокоэнергетического свечения, которое более десяти лет озадачивало астрономов, хотя для исключения других теорий необходимы дополнительные исследования.

«Когда космический телескоп Fermi направили на центр галактики, он зафиксировал слишком много гамма-лучей», — сообщил Live Science по электронной почте Мооритс Михкель Муру, исследователь из Института астрофизики им. Лейбница в Потсдаме (Германия) и Тартуского университета (Эстония). «Существуют разные теории, объясняющие, что может быть причиной этого избытка, но пока никто не дал окончательного ответа».

Вначале учёные предположили, что свечение может исходить от частиц тёмной материи, сталкивающихся и аннигилирующих друг друга. Однако уплощённая форма сигнала не соответствовала сферическим ореолам, предполагаемым в большинстве моделей тёмной материи. Это несоответствие побудило многих учёных отдать предпочтение альтернативному объяснению, связанному с миллисекундными пульсарами — древними, быстро вращающимися нейтронными звёздами, испускающими гамма-лучи.

Теперь исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, ставит под сомнение давнее предположение о форме тёмной материи. Используя передовые модели Млечного Пути, Муру и его коллеги обнаружили, что тёмная материя вблизи центра галактики не является идеально круглой, а имеет плоскую форму — точно так же, как наблюдаемый гамма-сигнал.

Нанопористый кремний генерирует электричество за счёт трения с водой

В исследовании, опубликованном в журнале Nano Energy, учёные продемонстрировали, что циклическое проникновение и выдавливание воды в водоотталкивающих нанопористых монолитах из кремния может производить измеримую электрическую энергию.

Разработанная система, известная как трибоэлектрический наногенератор (IE-TENG), использует давление для многократного проникновения воды в наноразмерные поры и выдавливания её из них. Во время этого процесса на границе раздела твёрдого тела и жидкости происходит генерация заряда.

Это тип трения, который часто встречается в повседневной жизни. Пример, знакомый каждому: ходьба по синтетическому ковру в обуви. Электроны переходят от одного тела к другому, накапливая заряд, который внезапно разряжается при прикосновении к третьему телу. Например, при прикосновении к дверной ручке заряд утекает, и вы чувствуете искру статического электричества.

Достигнутая эффективность преобразования энергии до 9% является одной из самых высоких, когда-либо зарегистрированных для твёрдо-жидких наногенераторов. «Даже чистая вода, когда она ограничена наноразмерами, может обеспечить преобразование энергии», — говорит профессор Патрик Хубер, представитель BlueMat — кластера передового опыта в области материалов, приводимых в движение водой, при Гамбургском технологическом университете (TUHH) и DESY.

Д-р Луис Бартоломе (CIC energiGUNE) добавляет: «Сочетание нанопористого кремния с водой позволяет создать эффективный, воспроизводимый источник энергии — без использования экзотических материалов, а только с помощью самого распространённого полупроводника на Земле, кремния, и самой распространённой жидкости, воды».

Растения самоорганизуются в незаметном на первый взгляд порядке, и эти закономерности возникают в разных частях природы

Учёные обнаружили «скрытый порядок» в засушливых районах по всей планете, где растения следуют беспорядочной «гиперравномерности» — расположению, которое с близкого расстояния выглядит случайным и беспорядочным, но при взгляде с большого расстояния соответствует чёткому шаблону.

Эти открытия объясняют такие явления, как «тигровый куст» в Западной Африке, где полосы растений с высоты выглядят как тигровые полосы, или «волшебные круги» в Намибии, которые издалека выглядят как пятна, но на самом деле являются скоплениями растений. Эти растения самоорганизуются таким образом, что помогает им справляться с засухой и функционировать в экстремальных условиях.

«Это было настоящим сюрпризом», — сказал соавтор исследования Цюань-Син Лю, математик из Шанхайского университета Цзяо Тун в Китае. «Мы ожидали найти либо полностью случайное распределение, либо регулярный, сгруппированный узор... вместо этого мы обнаружили идеальный беспорядочный гиперравномерный узор — форму скрытого порядка, которую никто раньше не замечал в растительных сообществах».

В новом исследовании, опубликованном в журнале PNAS, учёные изучили спутниковые изображения более 400 засушливых районов по всему миру и математически проанализировали пространственные паттерны растений в этих ландшафтах. Они обнаружили, что, хотя распределение растений на земле может выглядеть беспорядочным, с высоты птичьего полёта 10 % засушливых земель следуют гиперравномерной картине, что показывает, что это явление не является редкостью, а широко распространённой особенностью многих засушливых экосистем.

По словам Лю, такая картина, вероятно, является результатом интенсивной конкуренции за ограниченные ресурсы. Расположение растений в такой гиперравномерной форме помогает им выживать в условиях ограниченного количества воды. Если они находятся слишком близко друг к другу, отдельные растения будут конкурировать за воду, а если слишком далеко друг от друга, то между ними останутся промежутки, в которые могут проникнуть другие виды растений, поэтому такая картина обеспечивает оптимальный баланс для засушливой экосистемы.

Учёные создали искусственные нейроны, которые работают как настоящие

Инженеры из Массачусетского университета в Амхерсте разработали искусственный нейрон, электрическая активность которого очень похожа на активность естественных клеток мозга. Это нововведение основано на предыдущих исследованиях команды, в которых использовались белковые нанопроволоки, изготовленные из бактерий, производящих электричество. Этот новый подход может открыть путь к созданию компьютеров, работающих с эффективностью живых систем и даже способных напрямую подключаться к биологическим тканям.

«Наш мозг обрабатывает огромное количество данных, — говорит Шуай Фу, аспирант факультета электротехники и вычислительной техники Массачусетского университета в Амхерсте и ведущий автор исследования, опубликованного в Nature Communications. — Но его энергопотребление очень и очень низкое, особенно по сравнению с количеством электроэнергии, необходимой для работы большой языковой модели, такой как ChatGPT».

Человеческое тело работает с поразительной электрической эффективностью — более чем в 100 раз превышающей эффективность типичной компьютерной схемы. Один только мозг содержит миллиарды нейронов — специализированных клеток, которые посылают и принимают электрические сигналы по всему телу. Выполнение такой задачи, как написание рассказа, требует от человеческого мозга всего около 20 ватт энергии, тогда как для выполнения той же задачи большой языковой модели может потребоваться более мегаватта.

Инженеры давно пытаются разработать искусственные нейроны для более энергоэффективных вычислений, но снижение их напряжения до биологического уровня было серьёзным препятствием. «Предыдущие версии искусственных нейронов использовали в 10 раз больше напряжения и в 100 раз больше энергии, чем те, которые мы создали», — говорит Джун Яо, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Массачусетского университета в Амхерсте и старший автор статьи. Из-за этого ранние разработки были гораздо менее эффективными и не могли напрямую соединяться с живыми нейронами, которые чувствительны к более сильным электрическим сигналам.

«Наши нейроны регистрируют только 0,1 вольта, что примерно соответствует режиму работы нейронов в нашем организме», — говорит Яо.