理系論文まとめ38回目 Nature communication 2023/7/19
廃ポリオレフィン系プラスチックの光リサイクルができます！
科学・社会論文を雑多/大量に調査する為、定期的に、さっくり表面がわかる形で網羅的に配信します。今回もマニアックなNature communicationです。
さらっと眺めると、事業・研究のヒントにつながるかも。
世界の先端はこんな研究してるのかと認識するだけでも、
ついつい狭くなる視野を広げてくれます。
一口コメント
Photothermal recycling of waste polyolefin plastics into liquid fuels with high selectivity under solvent-free conditions
無溶媒条件下における廃ポリオレフィン系プラスチックの高選択性液体燃料への光熱リサイクル
「光熱触媒を利用して日光をエネルギー源とし、廃棄物ポリオレフィンプラスチックを価値ある液体燃料に変換する画期的な方法を見つけました。」
Aluminum foil negative electrodes with multiphase microstructure for all-solid-state Li-ion batteries
全固体リチウムイオン電池用多相構造アルミ箔負極
「アルミニウムベースの負極を用いて全固体電池の性能を大幅に向上させることを実現した研究。」
Precise in-field molecular diagnostics of crop diseases by smartphone-based mutation-resolved pathogenic RNA analysis
スマートフォンを用いた変異分解病原性RNA解析による作物病害の圃場内精密分子診断
「スマートフォンとカラーメトリック紙を使用した革新的な診断ツールにより、農作物の病気の早期発見と治療が可能に。」
Spatially controlled construction of assembloids using bioprinting
バイオプリンティングを用いたアセンブロイドの空間制御構築
「SPOTは、3Dバイオプリンティング技術と磁性ナノ粒子を組み合わせて、神経組織の細胞配置とその結合を細かく制御し、疾患モデルを精密に再現します。」
Biodegradable polyphosphoester micelles act as both background-free 31P magnetic resonance imaging agents and drug nanocarriers
生分解性ポリホスホエステルミセルは、バックグラウンドフリーの31P磁気共鳴イメージング薬剤および薬物ナノキャリアとして機能する
「生分解性と生体適合性を兼ね備えた新型MRIトレーサー、ポリホスホエステルは、医療イメージングから組織再生までの幅広い分野で新たな可能性を切り開く。」
Plug & play origami modules with all-purpose deformation modes
多目的変形モードを備えたプラグ＆プレイ折り紙モジュール
「折り紙インスパイアドデザインを採用した全目的モジュールの開発を通じて、ソフトロボットのための複雑な動きを実現します。」
要約
無溶媒条件下における廃ポリオレフィン系プラスチックの高選択性液体燃料への光熱リサイクル
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40005-6
本研究の目的は、プラスチック廃棄物の大部分を占めるポリオレフィンプラスチックを再生する持続可能で費用対効果の高い方法を見つけることでした。研究は、これらのプラスチックを液体/ワキシー燃料に変換するための光熱触媒システムの使用に焦点を当てています。
Schematic illustration of contact between catalyst and LDPE in a, traditional photocatalytic recycling and c, photothermal recycling. b EDX maps of cross-sectional SEM image for a physical mixture of a LDPE granule and Ru/TiO2 sample (state likes traditional photocatalytic LDPE recycling). Scale bar, 100 μm. d EDX maps of cross-sectional SEM image for a quenched molten LDPE-Ru/TiO2 sample (state likes photothermal LDPE recycling). Scale bar, 5 μm. e Pristine LDPE and molten LDPE droplet contact angles on a glass substrate coated with Ru/TiO2 at various temperatures in an argon (Ar) atmosphere.
①事前情報 :
これまでに生産されたプラスチックは80億トン以上で、その80％が廃棄物処分場や汚染物質となっています。LDPE、HDPE、PPという3つのポリオレフィンプラスチックは、全世界のプラスチック生産の57％を占めています。これらのプラスチックをリサイクルする従来の方法はエネルギーを大量に消費し、コストがかかります。
②行ったこと :
研究者たちはRu/TiO2触媒を使用した光熱触媒システムを開発しました。集光日光またはキセノンランプの照射下で200-300℃に加熱すると、触媒はポリオレフィンプラスチックと相互作用し、水素化分解によりそのポリマー鎖を変換することが可能となります。
③検証方法 :
研究者たちは、反応温度と圧力を調整することで、廃棄物ポリオレフィンを価値ある液体燃料に完全に変換し、3時間でガソリンおよびディーゼル範囲の炭化水素（C5-C21）を86％得ることができました。
④分かったこと :
光熱触媒リサイクルシステムが廃棄物ポリオレフィンプラスチックを効果的に価値ある液体燃料に変換でき、豊富な太陽エネルギーを利用することができることを示しました。
⑤この研究の面白く独創的なところ :
この研究の最も革新的な側面は、日光とRu/TiO2触媒を利用して光熱反応を引き起こし、効果的にポリオレフィンプラスチックを分解し、液体燃料に変換することです。これにより、プラスチック廃棄物管理の持続可能でコスト効率の良い方法が導入されます。
応用先
この研究は、ポリオレフィン・プラスチックをリサイクルするための持続可能でエネルギー効率の高い方法を提供することで、プラスチック廃棄物の管理方法に革命をもたらす可能性がある。この方法は、廃プラスチックを貴重な資源に変えるために応用でき、環境汚染を大幅に削減し、循環型経済を促進する。
全固体リチウムイオン電池用多相構造アルミ箔負極
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40010-9
高エネルギー密度の全固体電池を実現するために、リチウムと合金化する金属負極の設計に焦点を当てた研究を行いました。特にアルミニウムベースの負極を中心に研究を進めました。
a, b HAADF images of the Sn/β-Fe2O3 film cross-section at different magnifications. c Atomic image of the (1 1 0) plane of β-Fe2O3. d Local enlargement near doped Sn atoms and three-dimensional modelling of surface contrast.
①事前情報 :
全固体電池(SSB)は、高エネルギー密度と安全性を両立する可能性があります。しかし、SSBでリチウム金属負極を使用すると界面の不安定性やリチウムのフィラメントの侵入が問題となります。リチウムと合金化する材料を負極に使用することで、これらの問題を緩和できる可能性があります。
②行ったこと :
事前にリチウム化していないアルミニウム箔ベースの負極を全固体電池に採用しました。具体的には、30μm厚のAl94.5In5.5負極をLi6PS5Cl固体電解質とLiNi0.6Mn0.2Co0.2O2ベースの正極と組み合わせた全固体リチウムイオン電池を設計しました。
③検証方法 :
ラボスケールのセルで高電流密度（6.5mA cm−2）での安定したサイクリングを確認しました。また、Al-Inの多相マイクロ構造が高速動作と可逆性を向上させることも実証しました。
④分かったこと :
Al94.5In5.5負極を使用した全固体電池は高電流密度での安定したサイクリングが可能であること、そしてAl-Inの多相マイクロ構造が改善した速度特性と高い可逆性をもたらすことが確認されました。
⑤独創的なところ :
この研究は、高エネルギー密度の全固体電池の開発に大きく貢献し、長距離電気自動車や電気飛行機への応用が期待できます。
応用
太陽エネルギーを用いた水素生成、特に海水からの水素生成に役立つでしょう。これは、再生可能エネルギーをより効率的に利用し、地球環境問題に対する解決策につながる可能性があります。
スマートフォンを用いた変異分解病原性RNA解析による作物病害の圃場内精密分子診断
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39952-x
この研究では、スマートフォンとカラーメトリック紙を用いた新型の分子診断ツールを開発し、麦の病原菌を迅速に検出することができました。
a Integration of each reaction of the assay using a paper-folding strategy. b Paper designs for detecting six wheat pathogenic fungi. c Multiplexed detection of six fungi using the colorimetric paper. d GPR values obtained by testing the 32 field-collected wheat leaf samples. e Comparison of results for detecting Pst infection in 32 wheat samples in (d) using the colorimetric assay and qPCR. Concentrations of DProbe, urease, urea, and phenol red were 100 nM, 1 nM, 500 mM and 250 μM. Source data are provided as a Source Data file.
事前情報
世界的に増加する食糧需要に対応するためには、農作物の病気を効果的に管理することが不可欠です。しかしながら、現状では病原菌の種類や耐薬性を特定するための手段が限定的で、農作物の病気の早期発見や治療が困難です。
行ったこと
病原菌のRNAを検出し、それが生きているか死んでいるか、また耐薬性の変異を持っているかを判断する新しい診断ツールを開発しました。
検証方法
このツールは、色素を使った紙とスマートフォンを使って、病原菌のRNAを検出するための化学反応を利用しています。このツールを使って、六種類の麦の病原菌を10分で検出し、さらに麦のストライプラストを早期に検出することができました。
分かったこと
この新しい診断ツールを使うことで、麦の病原菌を迅速かつ正確に検出することができ、病原菌が生きているか死んでいるか、耐薬性を持つかどうかを特定することが可能となりました。
この研究の面白く独創的なところ
このツールは、生物学的な情報と技術的な便利さを組み合わせています。スマートフォンとカラーメトリック紙を使うことで、迅速な結果を得ることができ、その結果を直接解析することが可能です。
応用
このツールは、農作物の病気を早期に発見し、適切な治療を適用することで、農作物の生産性を向上させるのに役立つ可能性があります。
バイオプリンティングを用いたアセンブロイドの空間制御構築
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40006-5
研究者たちは、3Dバイオプリンティング技術と組み合わせた磁性ナノ粒子を利用し、神経組織の細胞配置とその結合を細かく制御するための新しい方法、「空間的パターン化オルガノイド転送（SPOT）」を開発しました。
a Diameter measurements of MSC and HUVEC spheroids, and hiPSC-derived ventral and dorsal forebrain neural organoids at increasing days of culture. Each data point represents a distinct spheroid or organoid (MSC n = 25, HUVEC n = 27, D25 Ventral n = 27, D50 Ventral n = 25, D100 Ventral n = 25, D25 Dorsal n = 25, D50 Dorsal n = 25, D100 Dorsal n = 12). p values for each diameter comparison are as follows: MSC vs. HUVEC p = 0.9978, all other shown comparisons p < 0.0001. b Mass measurements of spheroids and neural organoids. Each data point represents an average of five neural organoids. p values for each mass comparison are as follows: D25 Ventral vs. D50 Ventral p = 0.1499, D25 Ventral vs. D100 Ventral p = 0.0094, D50 Ventral vs. D100 Ventral p = 0.7933, D25 Dorsal vs. D50 Dorsal p < 0.0001, D25 Dorsal vs. D100 Dorsal p < 0.0001, D50 Dorsal vs. D100 Dorsal p = 0.4743. c Vacuum pressure required to lift neural organoids of increasing diameters within a liquid medium. Each data point represents a distinct organoid (1.0 mm n = 4, 1.5 mm n = 4, 2.0 mm n = 4, 2.5 mm n = 4). p values for minimum lifting pressure comparisons are as follows: 1.0 mm vs. 1.5 mm p = 0.0007, 1.5 mm vs. 2.0 mm p < 0.0001, 2.0 mm vs. 2.5 mm p = 0.0026. d Apparent surface tension of spheroids and neural organoids. Each data point represents a distinct spheroid or organoid (MSC n = 4, HUVEC n = 2, D25 Ventral n = 4, D50 Ventral n = 4, D25 Dorsal n = 4, D50 Dorsal n = 4). p values for apparent surface tension comparisons are as follows: MSC vs. HUVEC p = 0.0235, all other shown comparisons p < 0.0001. e Schematic of vacuum aspiration-assisted lifting of neural organoids. f Representative brightfield (BF) images of a neural organoid prior to vacuum aspiration. g Representative BF images of a neural organoid post vacuum aspiration (6 mmHg). h Representative BF image of a neural organoid that has undergone complete deformation (i.e., is no longer spherical) post vacuum aspiration (6 mmHg). i Quantification of the extent of deformation as a function of the applied vacuum pressure. Each color represents a single neural organoid (n = 3). j Representative quantification of neural organoid deformation during and immediately following vacuum aspiration (6 mmHg, shown in blue). k Long-term neural organoid deformation in response to two vacuum pressures: 6 mmHg and 10 mmHg. Each set of data points connected with a line represents a single biological replicate (6 mmHg n = 4, 10 mmHg n = 4). l Schematic of magnetic lifting of neural organoids. m Representative BF image of a neural organoid post magnetic lifting. Statistical analyses performed as one-way ANOVA with Tukey multiple comparisons test. Unless otherwise noted, all data points represent distinct biological replicates. Data plotted as mean ± SD where *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001, and ns not significant.
①事前情報：
3Dバイオプリンティングは、神経組織のように特異的な細胞構造を持つオルガノイドには適用が難しく、そのため細胞同士の相互作用の制御が課題となっていました。
②行ったこと：
SPOTの開発を行いました。この技術は、鉄酸化物ナノ粒子を含むハイドロゲルと磁化された3Dプリンターを利用して、オルガノイドの持ち上げ、移動、配置を制御します。
③検証方法：
人間由来の多能性幹細胞から作られた神経オルガノイドと患者由来の脳腫瘍オルガノイドを含むアセンブロイドの精密な配置を達成しました。
④分かったこと：
SPOT技術により、細胞間の相互作用を時間と空間で制御し、疾患の発症プロセスや薬物効果を再現するモデルを生成することが可能になりました。
⑤この研究の面白く独創的なところ：
既存の3Dバイオプリンティング技術の制約を克服し、磁性ナノ粒子と特殊なハイドロゲルを組み合わせた独自のSPOT技術を開発した点です。
応用
神経系の発達や脳腫瘍の進行などを研究するための詳細な細胞間相互作用モデルの作成、疾患のメカニズム解明や薬物評価など、医学研究における幅広い応用が考えられます。
生分解性ポリホスホエステルミセルは、バックグラウンドフリーの31P磁気共鳴イメージング薬剤および薬物ナノキャリアとして機能する
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40089-0
本研究では、生体適合性かつ生分解性のポリホスホエステルを、その高い31P含有量を利用して、MRI追跡可能なポリマーとして導入しました。
(A) General chemical structure of PPn. The composition of the main and side chains can be adjusted to tune the properties. (B) Chemical structures of block copolymers and schematic of colloidal nanostructures PPnCORE that contains phosphorus-31 in the core (left) PPnSHELL (right) with phosphorus-31 in hydrophilic PPn shell, and the respective NMR spectra. The relaxation times were suitable for imaging (NMR spectroscopy in H2O/D2O 9:1 v:v, decoupled). (C) 31P MR images of aqueous dispersions of PPnSHELL and PPnCORE, (polymer concentration 4 wt.-% polymer correspond to 0.1 M 31P for PPnCORE and 0.05 M 31P in PPnSHELL), TAcq 17 min, FOV 20×20 mm2, matrix 64×64, 9.4 T.
①事前情報：
ヘテロ核MRIは定量イメージングを可能にしますが、MRIエージェントは環境汚染や臓器蓄積を引き起こす可能性があります。また、一般的な19F MRIエージェントはPFASと呼ばれる物質で、これらは環境汚染物質として問題視されています。
②行ったこと：
生体適合性かつ生分解性のポリホスホエステルを開発し、そのポリマー骨格中の31P中心を利用してMRI追跡可能なポリマーとしました。また、これらのポリマーを機能化して、MRIリラクゼーション時間を調整しました。
③検証方法：
実験動物モデルManduca sextaを用いて、背景フリーイメージングと生体分解性を検証しました。
④分かったこと：
勾配型ポリホスホネート共重合体は、ホモ-およびブロック共重合体と比較してMRIリラクゼーション時間が改善しており、イメージングに適していました。
⑤この研究の面白さと独創的なところ：
この新技術は、MRIイメージングエージェント、ラベルフリーの31P MRI追跡可能な薬物送達、組織エンジニアリング用材料など、広範な用途に適用可能と考えられます。
応用
この研究は、エネルギー効率的でミニチュア化された光学センシングデバイスの設計に貢献し、環境モニタリング、医療診断、食品品質管理など、幅広い分野での応用が期待されます。
多目的変形モードを備えたプラグ＆プレイ折り紙モジュール
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39980-7
本研究では、折り紙に触発された、空気圧で制御される柔軟な変形ユニットが作成されました。これは、折り紙モジュール一つで3つの基本的な運動タイプ（曲がり、ねじれ、収縮/拡張）とこれらの組み合わせによる7つの独立した動きを可能にします。
a A universal actuation module consists of an appropriate combination of the Kresling origami patterns and inflatable cells. This module exhibits contraction/extension, bending, twisting, and any combination of these motion modes via pneumatic actuation. b Comparison of the motion modes of the present module with existing origami-based4,5,27,28,31,32,49,50,51,52, pneumatic7,8,15,16,17,24,53,54,55,56, and smart material actuators57,58,59,60,61,62,63,64,65,66.
事前情報
自然界の生物の基本的な動きは、曲がり、ねじれ、収縮/拡張の3つの基本動作とそれらの組み合わせから成り立っています。これらの動きを模倣し、制御可能な方法で再現することは、ロボット工学の中心的な課題です。
行ったこと
本研究では、Kresling折り紙パターンを基に、個別にアクセス可能な、空気圧で駆動する袋を側面に配置することで、曲がるモードを追加しました。この改良により、折り紙モジュール一つで7つの異なる動きを可能にする全目的モジュールが生まれました。
検証方法
作成した折り紙モジュールの機能を確認するために、それぞれの運動タイプとその組み合わせを各々の折り紙モジュールで検証しました。これらの結果は、他の手法（例えば、折り紙を基にしたもの、単純な空気駆動、スマートマテリアルを基にしたソフトアクチュエータ）と比較して評価されました。
分かったこと
折り紙モジュールは、3つの基本的な運動タイプと4つの組み合わせによる7つの異なる動きを可能にしました。さらに、モジュールは操作中でも組み立てることが可能であり、プラグアンドプレイの特性を備えていました。
この研究の面白く独創的なところ
折り紙に触発された設計を用いて、一つのモジュールで7つの動きを可能にしたことが特徴的です。これにより、複雑なタスクを実行するための多様な運動形式が可能になりました。
応用
この折り紙モジュールは、ソフトロボットが複雑なタスクを実行するためのアプリケーションに適用可能です。特に、独立した複数の運動形式が必要な場面や、複雑な動作が要求される場面での利用が期待されます。
最後に
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