理系論文まとめ7回目 Applied Physics Reviews 2023/5/31 ~ 2023/5/4
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Applied Physics Reviews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。
世の中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。
バイオセンサはもっと普及してほしいな～
一口コメント
Surface activation of platinum group metal clusters for efficient and durable oxygen reduction in proton exchange membrane fuel cells
白金族金属クラスターの表面活性化による固体高分子形燃料電池における効率的かつ耐久性のある酸素還元
「窒素配位による白金族金属（PGMs）クラスターの表面活性化が、効率的で耐久性のある酸素還元反応（ORR）触媒の設計を可能にし、これによりプロトン交換膜燃料電池（PEMFCs）の白金（Pt）依存性を緩和する」
Extraordinary second harmonic generation modulated by divergent strain field in pressurized monolayer domes
加圧単層ドームにおける発散ひずみ場によって変調される特異な第二高調波発生
「プロトン照射による大きな圧力を加えた単層TMDドームの製造は、二次高調波生成（SHG）の強度を大幅に強化し、非線形光学の新たな応用を可能にする」
A point-of-care biosensor for rapid detection and differentiation of COVID-19 virus (SARS-CoV-2) and influenza virus using subwavelength grating micro-ring resonator
サブ波長回折格子マイクロリング共振器を用いたCOVID-19ウイルス(SARS-CoV-2)とインフルエンザウイルスの迅速検出・鑑別のためのポイント・オブ・ケアバイオセンサー
「抗原-抗体結合による赤方偏移を検出するラボオンチップバイオセンサーを開発し、15分以内の短時間で高感度かつ特異的にCOVID-19とインフルエンザを区別できる新たな診断手法を提供した」
Materials property prediction with uncertainty quantification: A benchmark study
不確かさの定量化による材料特性予測： ベンチマークスタディ
「不確実性の定量化（UQ）を用いたグラフニューラルネットワークベースの材料特性予測モデルの評価を行い、その適用性と限界を明らかにした」
Controlling fluidic behavior for ultra-sensitive volatile sensing
超高感度揮発性センシングのための流体挙動制御
「鼻腔の構造に触発された新設計の電子鼻が、一様な流体状態を保つことで揮発性有機化合物の高感度検出を可能にする」
Ferroelectric phase transitions in epitaxial antiferroelectric PbZrO3 thin films
エピタキシャル反強誘電体PbZrO3薄膜における強誘電相転移
「エピタキシャル薄膜PbZrO3における反強誘電体から強誘電体への相転移の詳細な観察により、高性能電子機器やエネルギー貯蔵デバイスの設計における新たな視点が開かれた」
要約
白金族金属クラスターの表面活性化による固体高分子形燃料電池における効率的かつ耐久性のある酸素還元
https://doi.org/10.1063/5.0147165
事前情報:
全ての白金族金属（PGMs）に基づく効率的で耐久性のある酸性酸素還元反応（ORR）触媒の開発は、プロトン交換膜燃料電池（PEMFCs）の大規模応用にとって重要ですが、挑戦的です。行ったこと:
我々は、窒素配位によって引き起こされる強い金属-サポート相互作用が、ORR非活性PGMクラスターの表面原子を効率的で耐久性のある活性部位に調整することができることを報告します。具体的には、Rhを例に取ると、Rh過剰ドープのゼオライトイミダゾールフレームワーク-8の炭化により、多数のRhクラスター（わずかな原子Rhを含む）が窒素ドープ炭素中に形成されます。検証方法:
クラスターの表面原子は、炭素サポートの窒素と配位し、一般的なNドープ炭素支持金属ナノ粒子よりも強い金属-サポート相互作用を形成します。分かったこと:
表面活性化されたRhクラスターの活性はPt/Cに近いです。表面活性部位の規制ルールは、対応する単原子触媒の特性の大部分を継承しますが、その不安定性の問題はありません。この研究の面白く独創的なところ:
この表面活性化戦略は他のPGMsにも適用可能であり、PEMFCsのプラチナへの依存性を緩和する有望な方法となります。
応用先
この研究の応用は、プロトン交換膜燃料電池（PEMFCs）の触媒設計と改良に具体的な応用があります。具体的には、PEMFCsの大規模応用に向けて、白金（Pt）以外の白金族金属（PGMs）を基にした効率的かつ耐久性のある酸素還元反応（ORR）触媒の開発を可能にします。これにより、燃料電池のコストを削減し、性能を向上させる可能性があります。
加圧単層ドームにおける発散ひずみ場によって変調される特異な第二高調波発生
https://doi.org/10.1063/5.0144641
この論文は、非線形光学（NLO）周波数変換の最も顕著な形態である二次高調波発生（SHG）について述べています。SHGは、入射光が非線形媒体と相互作用し、入力周波数の2倍の光子を生成する現象です。この研究では、プロトン（H+）照射を用いて大きな圧力をかけた単層TMD(transition metal dichalcogenide (TMD)ドーム（d≥10μm）を成功製造し、そのSHG性能向上の包括的な調査と特性評価を行っています。結果として、SHGの強度は室温で約2桁効果的に強化されることが示されました。
①事前情報：
非線形光学（NLO）周波数変換の一種である二次高調波発生（SHG）は、入射光が非線形媒体と相互作用し、入力周波数の2倍の光子を生成します。この現象は、材料科学や生物医学科学などの広範な応用があります。
②行ったこと：
研究者はプロトン（H+）照射を用いて、大きな圧力をかけた単層TMDドーム（d≥10μm）を製造しました。
③検証方法：
製造されたTMDドームのSHG性能の向上を評価するための包括的な調査と特性評価を行いました。
④分かったこと：
SHGの強度は室温で約2桁効果的に強化されることが示されました。この巨大な強化は、キャップされた加圧ガスによって引き起こされる明確な分離距離と半球形の形状によって、構造的な光学的干渉が可能になることから生じます。
⑤この研究の面白く独創的なところ：
この研究は、強化されたNLO性能と良好に保存された生物適合性を持つ有望なシステムを示しています。これは、未来のナノスケールの量子光学設計と生物医学的な応用に道を開く可能性があります。
応用
この研究は、特に光通信、生物医学イメージング、化学的センサー、量子コンピューティングなど、非線形光学（NLO）応用の分野で有用です。非線形光学の一部である二次高調波生成（SHG）の強度を効果的に強化するこの新しいアプローチは、より効率的で強力な光学デバイスの設計と製造に役立つ可能性があります。
サブ波長回折格子マイクロリング共振器を用いたCOVID-19ウイルス(SARS-CoV-2)とインフルエンザウイルスの迅速検出・鑑別のためのポイント・オブ・ケアバイオセンサー
https://doi.org/10.1063/5.0146079
①事前情報 :
新型コロナウイルスの変異株の出現とともに、迅速で正確な頻繁な検出が求められています。新しい主要な株であるオミクロン変異体は、他の一般的な呼吸器感染症とより類似した臨床的特徴を示します。
②行ったこと :
我々は、サブ波長グレーティングマイクロリング共振器に基づく、SARS-CoV-2検出のためのラボオンチップバイオセンシングプラットフォームを報告します。感知面はSARS-CoV-2スパイクタンパク質に対する特異的な抗体で機能化され、抗原-抗体の結合によって共振ピークの赤方偏移を生じ、定量検出を達成します。
③検証方法 :
センサーチップは、二つの解析物の同時検出を可能にする反流防止Y型構造を特徴とするマイクロ流体チップと一体化されています。我々はCOVID-19とインフルエンザA H1N1の検出と区別を実現しました。
④分かったこと :
実験結果から、我々の装置の検出限界は、検出時間15分以内で100 fg/ml（1.31 fM）に達し、交差反応試験は光学的診断試験の特異性を示しました。また、統合されたパッケージングと合理化されたワークフローは、臨床応用での使用を容易にします。
⑤この研究の面白く独創的なところ :
このバイオセンシングプラットフォームは、高感度で選択性の高い、多重化された、定量的なポイントオブケア診断とCOVID-19とインフルエンザの区別を達成するための有望な手法を提示しています。
応用
この実験の結果は、現場での急速な感染症診断や臨床研究に役立つ可能性があります。特に、COVID-19と他の呼吸器感染症（例えば、インフルエンザ）を同時に、そして効率的に検出し区別することが求められる場面での活用が期待できます。また、このセンサープラットフォームは、新たなウイルス株や他の似たような感染症の迅速検出に対応するためのテンプレートとしても使うことができるでしょう。
不確かさの定量化による材料特性予測： ベンチマークスタディ
https://doi.org/10.1063/5.0133528
①事前情報：
不確実性の定量化（UQ）は、頑健な高性能かつ汎用性のある材料特性予測モデルを構築する際の重要性が増しています。また、UQはアクティブラーニングで新しい訓練データを不確実な領域から収集することに重点を置き、より良いモデルの訓練にも利用できます。UQ方法にはいくつかのカテゴリがあり、それぞれが異なる種類の不確実性の源を考慮しています。
②行ったこと：
ここでは、グラフニューラルネットワークベースの材料特性予測のためのUQ方法について包括的な評価を行い、それらが誤差境界の推定やアクティブラーニングで望む不確実性をどの程度真に反映しているかを評価しました。
③検証方法：
私たちの実験結果は、4つの結晶材料データセット（生成エネルギー、吸着エネルギー、全エネルギー、バンドギャップ特性を含む）を用いて行われました。
④分かったこと：
人気のあるアンサンブル方法は、材料特性予測におけるUQのための常に最良の選択ではないことが示されました。
⑤この研究の面白さと独創的なところ：
この研究は、UQのさまざまな方法を広範に評価し、それらがアクティブラーニングや誤差境界の推定における不確実性をどの程度反映しているかを明らかにしました。
応用
この研究の結果は、高性能な材料の設計と製造に対する支援ツールとしての利用が考えられます。具体的には、不確実性の定量化を用いた材料特性予測モデルは、新しい材料の開発や既存材料の性能改善の際に、予測の信頼性を向上させ、不確実な領域からの新たなデータ収集を効率化することができます。また、UQはリスク評価や品質保証の観点からも重要で、新製品の設計や製造プロセスの最適化にも活用できます。
超高感度揮発性センシングのための流体挙動制御
https://doi.org/10.1063/5.0141840
事前情報
揮発性有機化合物の検出技術である電子鼻は、健康管理、環境モニタリング、公共安全、農業、食品生産など、様々なアプリケーションで有望です。電子鼻が良好な認識能力を達成するための重要なポイントは、各センサーユニットから変換された高品質の信号特性の生成であり、これはアルゴリズムによって補助されます。
行ったこと
しかし、一様な流体状態がないチャンバーは、センサーの位置による人工的な特性を導入し、認識を困難にし、場合によっては信じられないものにしてしまいます。これに触発されて、鼻腔の構造に基づいて、理論的なシミュレーションに基づいて設計および製造された小容量のチャンバーを設計しました。
検証方法
期待される流体特性すべて、すなわち一様な流れ場と濃度場が達成され、これはセンサー配列を使用した湿度と2-ヘキサノン検出によって実験的に示されました。
分かったこと
揮発性分析物のよく制御された流体挙動は、超高感度の揮発性有機化合物検出を実現するのに役立ちます。
この研究の面白く独創的なところ
この研究は、鼻腔の構造に触発された新しい電子鼻の設計を提示し、一様な流体状態を有するチャンバーがどのように揮発性有機化合物の高感度検出に寄与するかを示しています。
応用
この実験の成果は、多くの実用的なアプリケーションに利用可能です。具体的には、健康管理での病気の早期診断、環境モニタリングでの汚染物質の追跡、公共の安全における有害物質や爆発物の検出、農業での病害や害虫の検出、食品生産における品質管理などが挙げられます。このような分野でのアプリケーションは、この技術が提供する揮発性有機化合物の高感度検出により、より早く、より正確に問題を特定し、適切な対策を講じることが可能になるためです。
エピタキシャル反強誘電体PbZrO3薄膜における強誘電相転移
https://doi.org/10.1063/5.0143892
【事前情報】
アーキタイプ的な反強誘電体であるPbZrO3は現在大きな関心を集めていますが、その基底状態の性質や外部刺激が物理的特性に及ぼす影響については明確な合意が得られていません。
【行ったこと】
我々は、原子スケールでの反平行偶極子の特徴的な構造周期性を観察し、反強誘電体から強誘電体への相転移に関連した明確な二重ヒステリシスの極化-電場応答を組み合わせることで、45nm厚のエピタキシャル薄膜PbZrO3の反強誘電体状態を確立しました。
【検証方法】
反強誘電体状態が基底状態として確認される一方で、温度依存性の測定では、大きな温度窓（100K）で強誘電体様の状態が現れることが示されました。原子レベルのシミュレーションは、このような強誘電体状態の存在とその起源をさらに確認しました。
【分かったこと】
電場誘起の強誘電体転移は、ピエゾ応答力顕微鏡応答の発散によって検出されました。この技術を用いて、我々は4nm厚のPbZrO3膜の強誘電体基底状態の特徴をさらに明らかにしました。
【この研究の面白く独創的なところを具体的に】
これらの結果は、PbZrO3のエピタキシャル薄膜における強誘電体と反強誘電体の相間の競争が、バルク結晶に比べてより複雑であることを示唆しています。
応用
この研究の成果は、高周波電子機器、エネルギー貯蔵デバイス、そして各種のセンサーとアクチュエータ（例えば、超音波ジェネレータやマイクロアクチュエータなど）の開発に対して重要な洞察を提供します。具体的には、強誘電体と反強誘電体の特性を理解することで、材料の応答性を最適化し、効率と性能を向上させることが可能になります。
最後に
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