論文まとめ39回目 Nature communication 2023/7/20
無秩序の中の秩序が新しい物性を開拓！
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
Covalent organic frameworks for direct photosynthesis of hydrogen peroxide from water, air and sunlight
水、空気、太陽光から過酸化水素を直接光合成するための共有結合有機フレームワーク
「金属フリーの共有結合有機フレームワークを用いて、水、酸素、太陽光を利用した効率的な過酸化水素製造法を開発。」
Tuning electronic and phononic states with hidden order in disordered crystals
無秩序結晶における隠れた秩序を利用した電子状態およびフォノニック状態の調整
「「隠れた秩序」を制御することで、結晶内の電子と振動の状態を調整し、物質の物理的性質を変化させることができます。」
Implant-to-implant wireless networking with metamaterial textiles
メタマテリアル・テキスタイルによるインプラント間ワイヤレス・ネットワーキング
「人体に組み込まれたデバイス間の直接的なワイヤレスネットワーキングを可能にするメタマテリアルテキスタイルの開発。」
Water nanolayer facilitated solitary-wave-like blisters in MoS2 thin films
MoS2薄膜における水ナノ層が促進する孤立波状ブリスタ
「湿度の高い環境下でMoS2薄膜における孤立波様ブリスター（SWLB）モードを観察し、これが固体-流体相互作用により誘導されることを明らかにしました。」
Computational analysis of peripheral blood smears detects disease-associated cytomorphologies
末梢血塗抹標本のコンピュータ解析による疾患関連細胞形態の検出
「Haemorasisは、血球の自動大規模検出と特徴付けを提供する機械学習ベースのツールで、血液疾患の正確で効率的な診断と疾患サブタイプ化を促進します。」
Order–disorder and ionic conductivity in calcium nitride-hydride
窒化水素化カルシウムの秩序-無秩序とイオン伝導性
「異なる合成経路を経て得られたカルシウム窒化水素化物の二つの相は、大きく異なるヒドリドイオン伝導性を示します。」
要約
水、空気、太陽光から過酸化水素を直接光合成するための共有結合有機フレームワーク
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40007-4
本研究では、電子供給体として適切な量のフェニル基を導入した金属フリーのドナー-アクセプター型共有結合有機フレームワーク（COF）を設計し、水、空気、太陽光から直接過酸化水素を高効率で光触媒製造する方法を提示しています。
a Schematic illustration of synthesis process of COF-N31, COF-N32 and COF-N33. b 13C nuclear magnetic resonance (NMR) spectra and c Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) of COF-N31, COF-N32 and COF-N33. d The schematic illustration of the octupolar structure in COF-N31, COF-N32 and COF-N33. e DFT calculation on charge distribution of COF-N32 structure.
①事前情報 :
過酸化水素は化学合成、エネルギー貯蔵、水処理などの分野で広く利用されています。しかし、現行の生産方法は高エネルギーを必要とし、有害な副産物を放出します。過酸化水素の光合成は緑色で持続可能な方法とされていますが、生成された過酸化水素の分解などの副反応により効率が大幅に低下します。これに対し、金属フリーのCOFは適切な中間体を形成し、副反応を抑制する可能性を持っています。
②行ったこと :
本研究では、異なる量のフェニル基を持つトリアジン中心のトリアミンを前駆体として用い、異なる内部分子間極性を持つドナー-アクセプター型COFを合成しました。そして、最適な内部分子間極性を持つCOF（COF-N32と命名）が最高の過酸化水素生成効率を示すことを発見しました。
③検証方法 :
過酸化水素の生成効率を評価するため、実際の水サンプル（水道水、川水、海水）でCOF-N32を試験しました。さらに、実際の太陽光照射下でのCOF-N32の光触媒安定性を評価しました。また、生成された過酸化水素水溶液が水質浄化に直接利用可能であることも示しました。最後に、過酸化水素生成の効率向上のメカニズムを解明するために、実験結果を元に密度汎関数理論（DFT）計算を実施しました。
④分かったこと :
COF-N32は高い過酸化水素生成効率（605 μmol g−1 h−1）を示し、太陽光から化学エネルギーへの効率は0.31%でした。また、COF-N32は天然の太陽光と実際の水サンプルでも効果的に過酸化水素を生成することができ、生成した過酸化水素水溶液は直接水質浄化に利用可能であることを実証しました。また、DFT計算の結果から、COF-N32内の適切なN 2p状態とC 2p状態が過酸化水素生成の効率向上に寄与していることが明らかとなりました。
⑤この研究の面白く独創的なところ :
金属を使用せずに、適切な量のフェニル基を導入したドナー-アクセプター型のCOFを設計・合成することで、自由電荷の生成を最大化し、過酸化水素の高効率生成を実現した点が注目されます。
応用先
COF-N32を使用した過酸化水素の製造法は、化学工業、エネルギー貯蔵、そして特に水処理といった分野での適用が期待されます。生成された過酸化水素は直接水質浄化に使用可能であり、現場での水質改善や汚染水処理などに活用できます。
無秩序結晶における隠れた秩序を利用した電子状態およびフォノニック状態の調整
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40063-w
この研究では、普遍的な物理的性質を持つ結晶構造に対する「隠れた秩序」の影響を評価し、それが物質の性質を調節する新たなメカニズムであることを示しています。
a Ordered A2B structure with A halfway between B atoms on a square lattice. b A random configuration of A site distortions. c Two-in-two-out rule for correlated distortions. d Correlated disorder with perpendicular strong bonds. e–h The corresponding diffuse scattering patterns. The square lattice of black dots are Bragg peaks, which are several orders of magnitude stronger than diffuse scattering. i–l Electronic bands for these systems along special directions, with Γ = (0, 0), X = (1/2 , 0) and M = (1/2,1/2 ). The energy scale is arbitrary and the zero point does not imply the Fermi level. m–p Phonon bands.
①事前情報 :
ランダムな不規則性が存在する結晶構造は、「隠れた秩序」と呼ばれる局所的な相関を持つことがよくあります。しかし、この隠れた秩序が物質の物理的性質にどのように影響するかはまだよく理解されていません。
②行ったこと :
本研究では、電子と原子間の相互作用についての単純なモデルを使用し、平均的な構造が同じであるが隠れた秩序が異なる結晶が、非常に異なる電子およびフォノンのバンド構造を持つことを示しました。
③検証方法 :
電子およびフォノンの状態を計算するためのアプローチを使用し、隠れた秩序の程度と性質を変化させる明確なメカニズムを持つ模型を調査しました。
④分かったこと :
隠れた秩序が電子またはフォノンのバンド構造の特定の部分を選択的に広げ、ローカリゼーションを異なる方法で変調し、長距離対称性の破壊なしにバンドギャップを開くことができることを見つけました。
⑤この研究の面白く独創的なところ：
通常の（順序付けられた）構造/性質の関係の原理とは正交する、物質の性質を調整するための新しいメカニズムを提供するという点で独創的です。
応用
この研究は、バッテリーマテリアル、熱電材料、半導体など、隠れた秩序を特性に持つ多くの物質の電子的および振動的性質を制御するための新たな道筋を提供します。
メタマテリアル・テキスタイルによるインプラント間ワイヤレス・ネットワーキング
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39850-2
この研究では、メタマテリアルを使用したテキスタイル（布）を用いて人体内で直接インプラント間のワイヤレスネットワーキングを実現しました。これは、ヒト体内のバイオエレクトロニクスインプラントの正確で適応性のある療法に対するワイヤレス技術を確立します。
a Illustration of a wireless implantable medical devices network interconnected by metamaterial textiles. b–d Comparison of wireless implant-to-implant communication systems: b radiative interconnection is limited to transmission distance and implantation depth, c wireless relays cover longer distances but require additional transceivers, d metamaterial textiles enable efficient long-distance and deep-tissue transmission. e Simulated magnetic field distribution ∣Hx∣ generated by a dipole implanted at a 4 cm depth with a metamaterial textile (top) and in the absence of metamaterial textile (bottom) above tissue. f Comparison of the transmission coefficient as a function of distance between the implanted antennas in (e).
事前情報
現在、臨床で使用されているワイヤレス通信技術は、体による吸収と反射からくる信号損失のため、インプラント間の直接ネットワーキングを支持していません。従って、これまでのネットワーク型ワイヤレスインプラントの例はすべて、体外に設置されたバッテリー駆動の中継装置によって間接的な信号伝送に依存していました。
行ったこと
メタマテリアルを用いたテキスタイル（布）を用いて、人体内のインプラント間で直接ワイヤレスネットワーキングを実現しました。このテキスタイルは、体表面に沿った無放射状のラジオ周波数信号の伝播を容易にし、テキスタイルなしで受信した信号強度を3桁以上（>30 dB）増幅しました。
検証方法
porcineモデルを使用して、40cm以上離れた位置にあるループレコーダーと迷走神経刺激器をワイヤレスでネットワーク接続し、心拍数を閉ループ制御することを示しました。
分かったこと
メタマテリアルテキスタイルを通じて相互接続されたインプラント間のワイヤレス伝送効率は、テキスタイルなしで比較して3桁以上（>30 dB）高まることがわかりました。
この研究の面白く独創的なところ
人体内のインプラント間で直接ワイヤレスネットワーキングを実現する新しいアプローチを提供し、現存のワイヤレス通信技術の制約を克服しました。
応用
この研究の成果は、電子医療デバイスのネットワーク化を改善し、疾患の検出と治療を最適化するための新しい手法を提供します。このテクノロジーは、心臓ペースメーカーや神経刺激器などのインプラントデバイスの性能を向上させる可能性があります。
MoS2薄膜における水ナノ層が促進する孤立波状ブリスタ
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40020-7
本研究では、湿度の高い環境下でMoS2薄膜における異常な孤立波様ブリスター（SWLB）モードが報告されています。このブリスターは流体中に現れる孤立波のように前方へ伝播し、その伝播中にプロファイルが三次元的に拡大します。
a, b Schematic illustrations of a solitary wave (a) and ordinary wave (b). c, d Schematic illustrations of the SWLB mode (c) and its cross-section in the propagation direction (d). e, f Schematic illustrations of an ordinary buckle (e) and its cross-section in the propagation direction (f). g False-color optical image of the formed SWLB (arc buckles, the orange region) and ordinary buckling (web buckles, the cyan region). The morphologies of SWLB and ordinary buckling are false-colored orange and blue, respectively. h Morphologies of a propagating SWLB.
①事前情報：
孤立波は非線形システムにおけるユニークな順序波構造で、分散と非線形効果の微妙なバランスから生じます。孤立波は流体中で発見され、その後の研究で固体状態物理、光子学、神経動力学などの非流体系でも存在が示されました。しかしこの現象が固体-流体相互作用（FSI）で起こるかどうかはまだ未知です。
②行ったこと：
本研究では、湿度の高い環境下でのMoS2薄膜と硬い基板上のFSIが誘導する孤立波様ブリスター（SWLB）モードを観察しました。
③検証方法：
MoS2薄膜に湿度を当てて、そのブリスター形成と伝播を観察しました。さらに、高湿度での界面水ナノ層の存在を機械的、光学的、および原子間力顕微鏡（AFM）測定で確認しました。
④分かったこと：
湿度の高い環境下で、MoS2薄膜は孤立波のように前方へ伝播するブリスターを形成し、その伝播中にプロファイルが三次元的に拡大します。このブリスター形成と伝播は、薄膜と基板の界面に存在する3nm厚の水ナノ層によって調節されています。
⑤この研究の面白く独創的なところ：
本研究の面白さは、湿度の高い環境下での固体-流体相互作用により、通常は流体中でしか観察されない孤立波が固体（MoS2薄膜）で発生した点です。
応用
この研究は、湿度の影響を受けるさまざまな薄膜デバイスやナノスケール構造の開発に対する重要な洞察を提供します。例えば、湿度センサーや湿度による物質の機械的特性の変化を監視する装置などの開発に役立つ可能性があります。
末梢血塗抹標本のコンピュータ解析による疾患関連細胞形態の検出
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39676-y
Haemorasisは、血液病の診断と疾患のサブタイプ化を助けるために、末梢血塗抹標本中の血球を検出し特徴付ける計算手法を開発しました。
a Haemorasis: detection and characterization of blood cells in PBS using computer vision and machine-learning. First, the digitized PBS goes through a deep-learning-based quality control (QC) algorithm that filters out parts of the PBS which are too high or low in cellular density or too blurred. Then, white blood cells (WBC) and red blood cells (RBC) are detected separately—WBC are detected using a U-Net model, a deep-learning algorithm for segmentation, while RBC are detected using simple computer vision methods and filtered using machine-learning. Following this, each individual cell is characterized in terms of shape, texture and color distribution, and annotated for visualization in QuPath77. b U-Net performance on WBC segmentation. Segmentation post-processing was tested on test-time augmented images. c Randomly extracted and representative WBC detection examples and possible errors (underseg. = image undersegmentation error). d RBC detection examples and examples of wrongly detected and filtered RBC. Here, all RBC were detected using a simple computer vision protocol, but wrong detections were filtered out using machine-learning (red background). e Number of detected blood cells stratified by clinical classification. f Association between number of detected WBC using our protocol and WBC counts (two-sided robust R2=0.39 , CI95%=[0.30,0.49] 0).
①事前情報：
骨髄異形成症候群（MDS）のような血液疾患の診断は、通常、血液と骨髄サンプルの専門的な解釈とさまざまな分子遺伝子検査を必要とする複雑な細胞形態学的分析を含みます。
②行ったこと：
研究者たちは、末梢血塗抹標本中の白血球と赤血球を検出し特徴付けるAIツールであるHaemorasisを開発しました。このツールは、SF3B1変異型とSF3B1野生型MDS、巨赤芽球性貧血、鉄欠乏性貧血を含む様々な状態の300人以上の個人に適用されました。
③検証方法：
Haemorasisは、半百万以上の白血球と数百万の赤血球から血球形態を分析しました。そして、特にSF3B1変異型MDSについての診断予測は、それらが異なるセンターやスキャナーでも適用可能であることを確認するために外部で検証されました。
④分かったこと：
Haemorasisは、各種疾患の特徴的な形態を成功裏に識別でき、血球形態学と血液計数だけを用いて、SF3B1変異型MDSを他のMDSから高い予測性能で区別することができました。
⑤この研究の面白さと独創的なところ：
この研究の独創性は、観察者間の変動と潜在的な人間のミスを排除し、血液疾患のより正確で効率的な診断に貢献する大規模な自動細胞形態学的分析を提供する機械学習ツールを開発した点にあります。
応用
臨床実践におけるHaemorasisの使用は、より迅速で正確な診断と疾患サブタイプ化を可能にし、血液疾患における治療戦略と患者の結果を改善する可能性があります。
窒化水素化カルシウムの秩序-無秩序とイオン伝導性
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40025-2
二つの異なるカルシウム窒化水素化物(Ca2NH)の相が、極めて異なるヒドリドイオン伝導特性を示すことが明らかになりました。一つの相(β)は、速いヒドリドイオン伝導特性を示し、もう一つ(α)はその100倍低い伝導性を示します。
a NPD patterns of the α- and β- phases (from α-Ca3N2 and CaH2 precursors respectively) of calcium nitride hydride(deuteride) collected on Polaris diffractometer at ISIS. The patterns show that the α-phase loses the extra peaks associates with Fd-3m space group. This symmetry relates to the ordering of the anionic octahedral positions. b, c Total conductivity of the system and weight fraction of the Ca2ND phases versus time. Solid line is weight fraction and dotted line conductivity. EIS data collected for α-phase system was done in a separate experiment that matched the conditions of the Polaris experiment. The β-phase system EIS data was collected simultaneously with the NPD data. Results show that as the α-phase emerges the measured conductivity plummets by 3 orders of magnitude while the emergence of the β-phase is associated with an increase in conductivity.
事前情報
窒素-水素化合物は、穏やかな条件下でのアンモニア合成の共触媒として成功裏に利用されてきました。Ca2NHは反応中にH2の吸収体として働き、その格子からのH原子がNH3(g)製品に組み込まれることが示されました。
行ったこと
二つの異なる合成経路を通じて生成したカルシウム窒化水素化物(Ca2NH)の二つの異なる相について調査しました。
検証方法
in situの組み合わせ解析技術を使用して、各相のヒドリドイオン伝導特性を評価しました。
分かったこと
β相は速いヒドリドイオン伝導特性（600℃で0.08 S/cm）を示し、最高のバイナリイオンヒドリドと同等であり、CaH2よりも10倍高いことが分かりました。一方、α相は100倍低い伝導性を示しました。
この研究の面白く独創的なところ
異なる合成経路を通じて得られた同一化合物の二つの相が、ヒドリドイオン伝導性という観点で極めて異なる特性を示すという結果が興味深いです。
応用
この研究の結果は、高効率のイオン伝導性を持つ新たな材料の開発に役立ち、それにより燃料電池やエネルギー貯蔵装置などの性能を向上させる可能性があります。
最後に
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