一
量子自旋液体基态首次观测到了
由来自美国、德国和加拿大的国际科研团队在最新一期《物理评论X》杂志上撰文称，他们在磁性材料Ce2Zr2O7上首次观测到了“量子自旋液体基态”，有望为量子计算机设计开辟新方向。
自旋是电子拥有的与旋转有关的内部特性，正是自旋使磁铁内的材料具有磁性。在某些材料内，自旋会导致结构紊乱，类似于液体中的分子，因此有“自旋液体”这一说法。自旋液体的主要特征是，即使冷却到绝对零度（零下273摄氏度）仍保持无序状态，这是因为随着材料冷却，自旋方向持续波动，而非像传统磁铁那样在固态中稳定下来（在传统磁铁内，所有自旋都是对齐的）。
研究人员解释称，把一个电子想象成一个指向上或下的小指南针。在传统磁铁中，电子自旋都指向同一个方向，向上或向下，形成所谓的“铁磁相”。但在量子自旋液体内，电子置于一个三角形晶格中，形成三角形，其特征是强烈的湍流干扰了它们的顺序，结果是一个纠缠波函数，没有磁序。
研究负责人、蒙特利尔大学物理学教授安德里亚·比安奇解释说：“当添加第三个电子时，电子自旋无法对齐，因为两个相邻电子的自旋相反，这就产生了我们所说的磁阻挫。而这种基态这会产生激发，即使在非常低的温度下，也能维持自旋的无序，从而维持液态。”
Ce2Zr2O7是一种具有磁性的铈基材料，此前科学家已经制造出了这种化合物，新研究是以一种独特的纯净形式制造它，他们使用在光学炉中熔化的样品制造出了近乎完美的三角形原子排列，然后检查量子态。结果表明，正是这个近乎完美的三角形，使他们在Ce2Zr2O7中制造出了磁阻挫。
比安奇说：“我们的测量结果显示，粒子函数重叠，因此没有经典磁序的明显迹象。此外，我们还观察到自旋方向不断波动的分布，这是自旋液体和磁阻挫的特征，这表明我们所创造的材料在低温下表现得像真正的自旋液体。”
在通过计算机模拟证实这些观察结果后，研究小组得出结论，他们确实观测到了一种前所未见的量子态——量子自旋液体基态。
作者：刘霞 来源：科技日报
二
含氟纳米结构可高速低耗淡化海水
世界各地面临日益严峻的水资源短缺问题，海水淡化是生产饮用水的一种方法，但往往伴随着巨大的能源成本。据近日发表在《科学》杂志上的论文，日本研究人员首次使用基于氟的纳米结构成功过滤了水中的盐。与目前主要的海水淡化方法（热能法和反渗透膜法）相比，氟离子纳米通道的工作速度更快，需要的压力和能量更少，是更有效的过滤器。
用含有聚四氟乙烯涂层的锅做饭，煮熟的饭就不会粘在锅上。这是因为聚四氟乙烯的关键成分是氟——一种天然憎水或疏水的轻质元素。聚四氟乙烯也可用于管道内衬以改善水流。
东京大学-化学与生物技术系副教授伊藤洋敏团队，试图探索由氟制成的管道或通道如何在一个纳米尺度上运行，以测试其在选择性过滤不同化合物方面的效果，特别是水和盐。
该团队通过化学合成纳米氟环来创建测试滤膜，这些纳米氟环堆叠并嵌入到其他不渗透的脂质层中，类似于构成细胞壁的有机分子。他们创造了几个宽度大约在1到2纳米之间的氟环测试样本，而人类的头发几乎有10万纳米宽。为了测试膜的有效性，研究团队测量了测试膜两侧的氯离子的存在。
“测试中较小的通道完全拒绝了盐分子的传入，而较大的通道相对于其他海水淡化技术甚至尖端碳纳米管过滤器也有所改进。”伊藤洋敏说，“真正让我惊讶的是，这个过程发生得非常快，比典型的工业设备快几千倍，比基于碳纳米管的实验性海水淡化设备快约2400倍。”
氟是电负性的，它排斥负离子，如盐中的氯。这带来的好处是分解了本质上松散结合的水分子基团（水簇），因此它们可更快地通过通道。该团队的氟基水淡化膜更有效、更快、操作需要的能量更少，而且非常易于使用。
研究团队未来希望改进合成材料的方式，提高膜的寿命并降低运行成本。
作者：张佳欣 来源：科技日报
三
换点脑脊液，记忆力更强？
科学家发现，灌注了年轻小鼠脑脊液（CSF）的老年小鼠之所以出现了记忆改善，可能要归功于对神经细胞功能具有恢复能力的生长因子。相关研究结果已发表于《自然》，证明了年轻小鼠的脑脊液对衰老大脑具有潜在的再生性能。
在大脑衰老的同时，认知衰退也会随着痴呆症和神经退行性疾病风险的上升而加重。理解全身因素在一生中对大脑的影响，能为开发减慢大脑衰老的潜在疗法提供新知。脑脊液是大脑直接环境的一部分，负责向脑细胞输送营养，转导各种分子和生长因子的信号，不过，脑脊液在脑衰老中的作用一直没有得到充分理解。
为了测试脑脊液的潜在再生性能，美国加州斯坦福大学Tony Wyss-Coray团队将年轻小鼠（10周大）的脑脊液灌注到老年小鼠（18月龄）的大脑中，这种疗法改善了老年小鼠的记忆功能。研究显示，年轻小鼠的脑脊液能增强对海马体（大脑的记忆中心）内少突胶质前体细胞的刺激，具有让少突胶质细胞（一类神经细胞）和髓鞘质（一种能保护神经细胞的脂肪物质）再生的潜力。
为了明确这些效应背后的机制，团队研究了被年轻小鼠脑脊液激活的信号转导通路。结果显示，名为SRF的转录因子能介导年轻小鼠脑脊液对少突胶质前体细胞的影响，而且该转录因子在老年小鼠海马体中的表达会下降。
作者还发现，名为Fgf17的生长因子是诱导SRF信号转导的候选分子。Fgf17在衰老小鼠中的表达水平被证明会下降。然而，给老年小鼠注射Fgf17能重现灌注年轻小鼠脑脊液后产生的效应，包括诱导少突胶质前体细胞增殖和改善记忆功能。
作者总结道，研究结果表明，Fgf17 是促进衰老大脑再生的一个潜在因子。
“该研究不仅提示了FGF17基因作为治疗靶标的潜力，还显示出能让药物直接进入脑脊液的给药路径对于治疗痴呆症的可能益处。”麻萨诸塞州波士顿儿童医院的Miriam Zawadzki和Maria Lehtinen在一篇同时发表的新闻与观点文章中写道。
论文信息详见：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04722-0
作者：冯维维 来源：中国科学报
四
只用环境光和水，连续供电一年
藻类系统“变身”可再生生物光伏电池
英国研究人员使用一种广泛存在的蓝绿藻为微处理器持续供电了一年，过程中只使用环境光和水，此系统具有以可靠和可再生方式为小型设备供电的潜力。该研究近日发表在《能源与环境科学》杂志上。
这个系统大小与AA电池相当，包含一种称为集胞藻的无毒藻类，可通过光合作用自然地从太阳中获取能量，其产生的微小电流与铝电极相互作用并用于为微处理器供电。
该系统由普通、廉价且大部分可回收的材料制成，这意味着它可以很容易地被复制数十万次，作为物联网的一部分为大量小型设备供电。研究人员表示，它在处于离网情况下或在偏远地区最为有用，在这些地方少量电力就可能产生很大益处。
论文联合高级作者、英国剑桥大学-生物化学系克里斯多福·豪教授说：“不断增长的物联网需要越来越多的电力，我们认为这必须来自能够产生能量的系统，而不是像电池一样简单地储存能量。”而且这个光合设备不会像电池那样耗尽电量，因为它不断地使用光作为能源。
在实验中，该设备被证实可广泛用于为物联网设备的微处理器供电。物联网是一个庞大且不断增长的电子设备网络，每个设备只使用少量电力，通过互联网收集和共享实时数据。使用低成本的计算机芯片和无线网络，数十亿台设备成为该网络的一部分，从智能手表到发电站的温度传感器。到2035年，这一数字预计将增长到一万亿台设备，需要大量的便携式能源。
研究人员还解释了该设备可在自然光、相关温度波动下的家庭环境、半户外条件下运行的原因。藻类不需要喂食，它在光合作用时会产生自己的食物，尽管光合作用需要光，但该设备甚至可在黑暗环境中继续发电，这是因为藻类在没有光的情况下会继续处理一些食物，而这会持续产生电流。
作者：张梦然 来源：科技日报
五
器官捐献者眼中感光细胞“重生”
中枢神经系统中的数十亿个神经元以电信号的形式传递感觉信息。在眼睛中，被称为光感受器的特殊神经元可感知光线。近日，美国犹他大学-约翰·A·莫兰眼科中心和斯克里普斯研究所的研究团队在《自然》杂志上发表了一篇论文，描述了他们如何将视网膜作为中枢神经系统的模型，研究神经元是如何死亡的，并介绍了“复活”神经元的新方法。他们恢复了器官捐赠者眼睛中的感光神经细胞，并恢复了它们之间的通信，新发现将改变大脑和视觉研究。
“我们能够唤醒人类黄斑中的感光细胞，黄斑是视网膜的一部分，负责中心视力（即形觉）以及我们看到细微细节和颜色的能力。”该研究主要作者、莫兰眼科中心科学家法蒂玛·阿巴斯博士解释说，在器官捐赠者死后长达五个小时的眼睛中，这些细胞对强光、彩色光，甚至非常暗的闪光都有反应。
虽然最初的实验恢复了感光细胞，但这些细胞似乎已经失去了与视网膜中其他细胞“对话”的能力，缺氧是导致这种通信丧失的关键因素。
为了克服这一挑战，研究小组在器官捐赠者死亡后20分钟内摘取了其眼睛，并设计了一种特殊的运输装置，以恢复器官捐赠者眼睛的氧气和其他营养，还制造了一种设备来刺激视网膜并测量其细胞的电活动。通过这种方法，能够恢复在活人眼睛中可看到的一种特定的电信号，即“b波”。这是第一次从死后的人眼中央视网膜上记录b波。
过去的研究中，科学家在器官捐赠者的眼睛中恢复了非常有限的电活动，但从未在黄斑中实现过。现在，研究人员能够让视网膜细胞相互“对话”。
该团队展示的这一过程可用于研究中枢神经系统的其他神经元组织，这项革命性的技术进步可以帮助研究人员更好地了解神经退行性疾病，包括老年性黄斑变性等致盲视网膜疾病。
研究人员指出，与非人类灵长类动物研究和对动物模型的依赖相比，这种方法可降低研究成本，因为动物模型产生的结果并不总适用于人类。虽然老鼠通常用于视觉研究，但它们眼球中没有黄斑。未来，研究人员还可在功能正常的人眼细胞上测试潜在的新疗法，从而加快药物开发。
作者：张佳欣 来源：科技日报
转自：建强伟业科研服务
如有侵权，请联系本站删除！
