理系論文まとめ4回目 Nature communications 2023/7/1 ~ 2023/6/30
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 communications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。
世界の先端で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。
Nature communicationsは少し現世に歩み寄ってくれるのでわかりやすいですね。メタ表面でなく原子層のみで、光吸収を調整できるアイディアは興奮しますね！
一口コメント
Achieving near-perfect light absorption in atomically thin transition metal dichalcogenides through band nesting
原子レベルの薄さの遷移金属ジカルコゲナイドにおいて、バンドネスティングによりほぼ完全な光吸収を達成する
「遷移金属二硫化物の原子層を用いて、複雑なメタ表面を必要とせずにほぼ完全な光吸収を実現する新たな方法を提示した」
Lean-water hydrogel electrolyte for zinc ion batteries
亜鉛イオン電池用希薄水ヒドロゲル電解質
「亜鉛イオン電池の性能向上と安定化を実現するための新しい少水分ハイドロゲル電解質の開発」
Hyperbolic polaritonic crystals with configurable low-symmetry Bloch modes
構成可能な低対称ブロッホ・モードを持つ双曲ポーラトニック結晶
「穴あきα-MoO3に基づく非対称フォトニック結晶の設計と製造により、特定の方向での格子再配置に対して頑健な低対称性ブロッホモードを実現した」
Quantum simulation of thermodynamics in an integrated quantum photonic processor
集積化量子フォトニックプロセッサにおける熱力学の量子シミュレーション
「統合光学干渉計を用いて、閉じた系における統計物理学と量子力学の適合性を実証した」
Accelerating the prediction and discovery of peptide hydrogels with human-in-the-loop
ヒューマン・イン・ザ・ループによるペプチドハイドロゲルの予測と発見の加速化
「機械学習と実験的なフィードバックを組み合わせることで、ペプチドハイドロゲルの設計を効率化し、新たなペプチドハイドロゲルを発見し、それらを新型コロナウイルス対策の一環として使用する方法を開発した。」
Innovative design of minimal invasive biodegradable poly(glycerol-dodecanoate) nucleus pulposus scaffold with function regeneration
機能再生を目指した低侵襲性生分解性ポリグリセロールドデカン酸核足場の革新的デザイン
「キュウリのつるに触発された新しい生体分解性ポリマー、ポリ(グリセロール-ドデカン酸)の核髄質スカフォールドを開発し、これを用いて脊椎間板変性症の治療に向けた新たな進歩を達成した。」
要約
原子レベルの薄さの遷移金属ジカルコゲナイドにおいて、バンドネスティングによりほぼ完全な光吸収を達成する
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39450-0#auth-Seungjun-Lee
この論文は、遷移金属二硫化物（TMDs）の原子層を使用して、ほぼ完全な光吸収を実現する方法について述べています。これは、層間相互作用を減らすことにより、バンドネスティングを最適化し、複雑なメタ表面の使用を必要としません。
事前情報
遷移金属二硫化物（TMDs）は、光吸収特性が優れていることで知られています。しかし、これらの材料の層間相互作用は、バンドネスティング効果を妨げ、光吸収を低下させる可能性があります。
行ったこと
著者たちは、TMDsの2つの原子層だけを使用して、ほぼ完全な光吸収を実現する方法を示しました。これは、層間相互作用を減らすことにより、バンドネスティングを最適化し、複雑なメタ表面の使用を必要としません。
検証方法
著者たちは、理論的な探求と実験的な検証の両方を行いました。理論的な探求では、2D材料のNPLA設計(Near-perfect light absorbers)に基づいて、吸収率を計算しました。実験的な検証では、遷移金属二硫化物の原子層を使用して、光吸収を測定しました。MoS2を使用して検証。
分かったこと
著者たちは、層間相互作用を減らすことで、バンドネスティングを最適化し、ほぼ完全な光吸収を実現できることを示しました。これは、複雑なメタ表面の使用を必要とせず、2つまたは3つの層だけでNPLAsを達成できることを示しています。
応用先
この研究は、太陽電池や光検出器など、光エネルギーを電気エネルギーに変換するアプリケーションにおいて非常に役立つかもしれません。遷移金属二硫化物（TMDs）の原子層を使ったほぼ完全な光吸収は、これらのデバイスの効率を向上させ、パフォーマンスを最大化する可能性があります。また、光通信や光計算などの領域でも、この種の高効率光吸収材料は有用である可能性があります。
亜鉛イオン電池用希薄水ヒドロゲル電解質
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39634-8#auth-Chunyi-Zhi
この論文は、水分量が多いハイドロゲルベースの亜鉛イオン電池において副反応が起こる一方で、水分量が少ないと伝導性が低下するという問題に対処するために、分子潤滑機構に基づく少水分ハイドロゲルを開発したものです。この新しいハイドロゲルは、イオンの迅速な輸送、安定性の向上、そして亜鉛のめっき/剥離の可逆性を可能にします。
事前情報
亜鉛イオン電池は、その高い理論容量、安全性、信頼性から、さまざまなアプリケーションにおいて有望とされています。しかし、電解質からの亜鉛イオンの不可逆的な損失や副反応などが、水溶液型亜鉛イオン電池のクーロン効率と安定性を大幅に低下させる問題がありました。
行ったこと
著者らは、ハイドロゲルと固体ポリマー電解質の利点を組み合わせた新しい「少水分ハイドロゲル」を開発しました。これにより、広い電化学的安定性窓、デンドライトフリーかつガス進化フリーの陽極、そして迅速なイオン輸送が可能になりました。
検証方法
著者らは、亜鉛塩を調整ユニットとして、スルホン酸端が水親和性と亜鉛親和性を兼ね備えたポリマー骨格としてポリマー電荷イオンを選択しました。そして、この新しいハイドロゲル電解質の電気化学的特性を評価しました。
分かったこと
この新しい希薄水ハイドロゲル電解質は、希薄水含有率（20 wt%）のもとで、広い電圧ウィンドウと2.6 × 10-3 S cm-1のイオン伝導性を実現した。フルセルはガス発生を無視でき、5℃で4000サイクル、1℃で1500サイクルの優れたサイクル性能を示した。さらに、リーン水ハイドロゲル電解質は電極との高い接着性を示し、フレキシブルな亜鉛イオン電池に強固な界面を提供する。リーン水ハイドロゲル電解質の設計は、高い安定性とイオン伝導性の両方を得るために、ハイドロゲル電解質と固体高分子電解質の間の重要なバランスを提供する。
応用
電池用途
この研究は、エネルギー貯蔵と供給技術、特にリチウムイオン電池の代替として亜鉛イオン電池の開発に大きな影響を与えます。特に、安全性や信頼性が求められる医療機器やウェアラブルデバイス、電気自動車、再生可能エネルギーの貯蔵などのアプリケーションにおいて有用です。新しいハイドロゲル電解質の開発は、亜鉛イオン電池の安定性と性能を向上させ、その商用化の道を開く可能性があります。
構成可能な低対称ブロッホ・モードを持つ双曲ポーラトニック結晶
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39543-w#auth-Qingdong-Ou
この論文は、光の流れを操作するために使用できる人工的な周期的な材料であるフォトニック結晶（PhCs）について述べています。著者たちは、特定の方向での格子再配置に対して頑健な低対称性の深部亜波長ブロッホモードを示す、穴あきα-MoO3に基づく非対称PhCsの実現を報告しています。
事前情報
フォトニック結晶（PhCs）は、光の流れを操作するために使用できる人工的な周期的な材料です。これらは、光子と物質励起の結合から生じる混成準粒子であるポラリトンを利用して光制御の有望な道筋を開きます。
行ったこと
著者たちは、穴あきα-MoO3スラブから作られた超極性ポラリトン結晶（PoCs）を設計し、製造しました。これらのPoCsは、中赤外線範囲で動作し、格子構造のねじれ角と周期性によって調整できる低対称性ブロッホモードを示します。
検証方法
著者たちは、全波数値シミュレーションと実空間ナノイメージングを用いて、超極性PoCsの設定可能なブロッホモードを明らかにしました。また、周波数、格子スケール、回転を制御することで、超極性PoCsのブロッホモードとブラッグ共鳴の励起をエンジニアリングすることができます。
分かったこと
超極性PoCsは、特定の方向での格子再配置に対して頑健な共鳴特性を持つことが明らかになりました。これは、光子と物質励起の結合から生じる混成準粒子であるポラリトンを利用して光制御の有望な道筋を開くことができます。
応用
この研究は、新たなフォトニック結晶の設計と製造を報告しており、これは中赤外線範囲での光の制御に対する革新的な進歩を示しています。具体的な応用としては、光通信、センサー、ナノスケールの光学デバイス、情報処理、医療診断装置などに利用される可能性があります。この結晶の独特な特性は、光の流れを高度に操作し、その振る舞いを制御するための新しい方法を提供します。
集積化量子フォトニックプロセッサにおける熱力学の量子シミュレーション
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38413-9#auth
この論文は、統計物理学と基本的な量子力学が閉じた系でどのように一緒に適合するかについての理論物理学の長年の問題を扱っています。特に、統合された光学干渉計内の光子を使用して、全体として単位的に進化する系で、単一モードの測定が熱状態のものに収束することを示しています。
事前情報:
統計物理学は確率的な、定常的なアンサンブルに関心があり、外部制約の下でエントロピーを最大化します。一方、基本的な量子力学は、特定のハミルトニアンの下で閉じた系の量子状態の決定論的な進化を記述します。
行ったこと:
著者たちは、統合された量子光子プロセッサ（プログラム可能な線形光学干渉計）を使用して、普遍的で可逆的な平衡化とガウス化を実験的に示しました。彼らは、統合フォトニクスにおける非常に高い制御度を利用して、任意の相互作用時間に対して、ランダムに選ばれた多数の二次ハミルトニアンをシミュレートしました。
検証方法:
著者たちは、光ネットワークのサイズを利用して、内部ダイナミクスによる観測されたリラクゼーションが環境との相互作用によるものではないことを証明するための追加の光変換を実装しました。
分かったこと:
単一モードの測定が平均光子数に対応する温度の熱状態のものに収束する一方で、全体の時間進化は元に戻すことができ、普遍的で可逆的なガウス化が証明されました。これらの結果は、量子シミュレーションのプラットフォームとしての光子学の利点を示しています。
応用
この研究の応用は、特に量子コンピューティングと量子シミュレーションの領域に見出すことができます。量子コンピューティングは、量子状態の重ね合わせと量子もつれを利用することにより、一部の問題を古典的なコンピューターよりもはるかに効率的に解くことが可能となります。しかしながら、これらのシステムを適切に制御し、理想的な状態に保つことは困難です。本研究は、量子系の制御と適切な状態保持について新たな洞察を提供するもので、それにより、より効率的で安定した量子コンピューティングシステムの設計と操作が可能になるかもしれません。
ヒューマン・イン・ザ・ループによるペプチドハイドロゲルの予測と発見の加速化
https://doi.org/10.1063/5.0134978
日本語要約 この論文では、ペプチドハイドロゲルの予測と発見を加速するための「ヒューマン・イン・ザ・ループ」アプローチを開発したものです。具体的には、粗視化分子動力学、機械学習、実験を統合した手法を用いて、自然ペプチドハイドロゲルの設計を行っています。
事前情報
ペプチドハイドロゲルは、その高い生体適合性、低免疫原性、細胞外マトリックスへの類似性から、材料科学、バイオメディシン、半導体などの分野で広く利用されています。しかし、新たなペプチドハイドロゲルの需要に対応するための現行の設計能力は不十分で、自然タンパク質から派生したアミノ酸配列、ペプチド分野の専門知識、または偶然による実験室での発見に依存しています。
行ったこと
著者らは、粗視化分子動力学と機械学習による回帰モデルを用いて、AP（集合傾向）の推定を提供しました。そして、55のペプチドを選択し、化学合成を行い、ゲル化の検証を行いました。その結果、ゲル化の可否（つまり、はいまたはいいえ）に基づいて、分類モデルが訓練され、元のスコア関数に供給されるゲル化補正器Cgを生成しました。
検証方法
このアプローチは、MLと実験結果の間で相互情報交換を行うループを3回行い、165のペプチドの実験結果からCgのパフォーマンスを向上させました。その結果、ゲル化試験後にハイドロゲルを形成できる100のペプチドが得られました。
分かったこと
最終的に、計算モデルからデノボ設計されたテトラペプチドハイドロゲルが、SARS-CoV-2ウイルスの受容体結合ドメイン（RBD）に対するヒト免疫認識を強化する免疫補助剤として選ばれました。結果として、ゲル化率が87.1%に達する8,000のペプチドライブラリがAPHCに基づいて構築され、ペプチドベースのソフトマテリアルにおけるさらなる革新の大きな可能性を提供しました。
応用
この研究の方法論は、自然のペプチドハイドロゲルの設計を効率的に行い、新たなペプチドハイドロゲルの発見を加速することができます。応用分野としては、新たな薬剤の開発、細胞培養、組織工学、生体材料の開発などが考えられます。また、この研究で見つかった特定のテトラペプチドハイドロゲルは、SARS-CoV-2ウイルス（新型コロナウイルス）の受容体結合ドメイン（RBD）に対するヒトの免疫認識を強化する免疫補助剤としての可能性を持っています。これは新型コロナウイルスに対する新たな治療法や予防策の開発に役立つ可能性があります。
機能再生を目指した低侵襲性生分解性ポリグリセロールドデカン酸核足場の革新的デザイン
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39604-0#auth
この研究では、脊椎間板変性症の治療に有用な新しい生体分解性ポリマー、ポリ(グリセロール-ドデカン酸)（PGD）の核髄質スカフォールドの設計と開発について報告されています。このスカフォールドは、最小限の侵襲で椎間板の核髄部に移植でき、機能再生を可能にします。
【事前情報】
脊椎間板変性症は、加齢や怪我などにより引き起こされ、若い患者の間で増加しています。これは、椎間板内の核髄質（NP）が線維化し、水分を失い、支持能力が低下することで、椎間板の高さが減少し、ヘルニアが発生します。
【行ったこと】
研究者たちは、キュウリのつるに触発された新しいPGD核髄質スカフォールドを開発しました。このスカフォールドは、特定のヘパリン結合を介してケモカインSDF-1αを固定化し、形状記憶、機械的支持、および生体分解速度の特性を調整し、最適化しました。
【検証方法】
ニュージーランド白ウサギの椎間板の核髄部にこのスカフォールドを移植し、その効果を評価しました。スカフォールドは、体温によって引き起こされる大きな断面の渦巻き状の形状に変形し、その結果、圧縮状態でAFの穿孔穴から押し出されるのを防ぎます。
【分かったこと】
PGD NPスカフォールドは、16週間以内に椎間板の高さを維持し、自己幹細胞を募集し、放出されたSDF-1αを通じて変性したNPを再生することができることがわかりました。これは、脊椎間板変性症の治療における革新的なアイデアであり、臨床での応用可能性もあります。
応用
この研究のアプローチは、脊椎間板変性症の新たな治療法として具体的に応用することが可能です。具体的には、新たに開発されたポリ(グリセロール-ドデカン酸)（PGD）の核髄質スカフォールドを、最小限の侵襲で椎間板の核髄部に移植することで、椎間板の機能を再生することができます。これは、特に脊椎間板の高さが減少し、ヘルニアが発生する椎間板変性症の患者にとって有益です。このアプローチは、手術の必要性を減らし、患者の苦痛を軽減する可能性があります。
最後に
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