理系論文まとめ33回目 Nature communication 2023/7/22 ~ 2023/7/22
3Dプリンターで導電性樹脂を印刷できる時代！
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
Future increased risk from extratropical windstorms in northern Europe
ヨーロッパ北部における温帯低気圧による将来のリスク増大
「複数の気候モデルを用いて将来のヨーロッパの風嵐に関連する損失予測を評価し、その結果を基にリスクの抑制策について考察しています。」
Anomalous polarization enhancement in a van der Waals ferroelectric material under pressure
圧力下におけるファンデルワールス強誘電体の異常分極増大
「圧力は、銅イオンを電荷を増加させる場所に押し込むことにより、特殊な強誘電体材料であるCuInP2S6が保持する電荷を50％以上増加させることができます。」
Basin record of a Miocene lithosphere drip beneath the Colorado Plateau
コロラド高原下の中新世リソスフェア滴下の盆地記録
「コロラド高原の岩石圏滴下による動的地形の保存例を明らかにし、高原地帯の隆起メカニズムに新たな洞察をもたらしています。」
Direct evidence of substorm-related impulsive injections of electrons at Mercury
水星におけるサブストーム関連インパルス電子注入の直接的証拠
「水星の磁気圏での電子の動きがオーロラを生成する一般的なメカニズムについて初めて明らかになりました。」
Liquid-in-liquid printing of 3D and mechanically tunable conductive hydrogels
3Dおよび機械的に調整可能な導電性ハイドロゲルの液中印刷
「高い導電性と自由な形状制御が可能な導電性ハイドロゲルを3Dプリントする新たな方法を開発しました。」
Topotactic fabrication of transition metal dichalcogenide superconducting nanocircuits
遷移金属ジカルコゲナイド超伝導ナノ回路のトポタクティック作製
「次世代の電子デバイスに有望な材料である遷移金属カルコゲナイドから超伝導ナノ回路を製造する新たな方法を開発しました。」
要約
ヨーロッパ北部における温帯低気圧による将来のリスク増大
Future increased risk from extratropical windstorms in northern Europe | Nature Communications
本研究では、ヨーロッパの風嵐が風害による経済的損失を引き起こしており、将来の損失予測には様々な不確実性があることが指摘されています。気候モデルのアンサンブルを使用し、将来の風嵐に関する損失を評価しました。気候モデルのシミュレーションに基づいた2つの風嵐指標を用いて、特に北部および中部ヨーロッパで風嵐の頻度が増加することを示しました。将来の風害基準を適用することで、損害は部分的に緩和されるものの、風嵐の激しさによる被害は依然として増加すると示しました。低排出シナリオを採用することで、将来のリスク増加が抑えられ、人口重み付け風嵐指標の増加が半減することを明らかにしました。
Panel (a) shows the total tracks per winter season for the whole European region and the three subregions (see Methods) for ERA5, CMIP6 historical, CMIP6 SSP2-4.5 and CMIP6 SSP5-8.5. The tracks are counted in each subregion they pass through, and so may be counted more than once. Panel (b) shows the ERA5 track density (1980–2010) with black lines indicating the geographical extent of each subregion, c shows the difference between CMIP6 historical and ERA5 for the same period, d, e show the multi-model mean future changes of track density in the SSP2-4.5 and SSP5-8.5 scenarios, respectively. The units of the map plots are cyclones per month per unit area. Stippling in (c–e) indicates where at least seven of the eight models agree on either the sign of the bias or the sign of future change.
①事前情報 :
ヨーロッパの風嵐は風害による経済的損失を引き起こす重要な要因である。 将来の風嵐に関する損失予測には、風嵐の頻度、進路、強度、定義などの不確実性がある。
②行ったこと :
複数の気候モデルを使用して、ヨーロッパの冬季風嵐に関連する損失要因を評価した。
③検証方法 :
気候モデルのシミュレーションに基づいた2つの風嵐指標を用いて、将来の風嵐の頻度と強度を評価した。
④分かったこと :
北部および中部ヨーロッパで風嵐の頻度が増加することが示された。 将来の風害基準を適用しても、風嵐の激しさによる被害は依然として増加すると示された。
⑤この研究の面白く独創的なところ :
この研究では、複数の気候モデルを使用し、風嵐の未来予測における不確実性と堅牢性をより詳細に評価した点が特筆される。
応用先
将来の風嵐による損失を理解する上で重要な情報を提供し、防災対策や保険業界に活用できる可能性がある。
圧力下におけるファンデルワールス強誘電体の異常分極増大
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40075-6
この研究は、電荷を持つことができる特殊な物質であるCuInP2S6という物質についてのものです。研究者は、この物質に圧力をかけることで、物質が持つことができる電荷の量を50％以上増加させることができることを見つけました。これは、銅イオン（物質の一部）を物質内の特定の場所に押し込むことで実現しました。
a Crystal structure of CIPS viewed along the layer normal direction (c∗ axis) and b axis, respectively, with an octahedral sulfur cage showing various copper sites at room temperature. The size of the Cu atom represents its occupation probability. b Schematic of the high-pressure experimental setup. A CIPS ferroelectric crystal is held in a piston pressure cell. The yellow line embedded in epoxy represents an enameled copper wire. c Polarization-electric field (P-E) hysteresis loops of CIPS measured at different frequencies under ambient conditions. d, e P-E loops of CIPS measured at 1 kHz under representative pressures. f Remanent polarization (Pr) as a function of pressure, obtained from d and e. The error bars were estimated from the electrode areas.
①事前情報 :
CuInP2S6は、電荷を保持することができる特殊な「強誘電体」物質です。強誘電体材料は通常、キャパシタのようなデバイスで使用され、これらのデバイスは電荷を蓄積し、放出します。しかし、CuInP2S6は層状に構造化されているため、特別な性質を持っています。
②行ったこと :
研究者は、CuInP2S6に少量の圧力を適用し、その結果、保持できる電荷の量がどのように変化するかを測定しました。
③検証方法 :
研究者は、ラマン分析という技術を使用して、圧力がCuInP2S6の構造にどのように影響し、その構造の変化が強誘電性にどのように影響するかを観察しました。
④分かったこと :
圧力をかけることで、CuInP2S6が保持できる電荷の量は50％以上増加しました。これは、圧力が銅イオンを、全体の電荷を増加させる物質内の場所に押し込んだためです。
⑤この研究の面白く独創的なところ：
圧力が材料の強誘電性を減少させるという結果を示す研究がほとんどである中、この研究ではCuInP2S6については逆の結果が見られました。これは、CuInP2S6の特異な層状構造が、銅イオンが移動して電荷を増加させることを可能にしたからです。
応用
CuInP2S6の強誘電性の強化は、より良いキャパシタを生み出す可能性があります。これは、多くの電子デバイスの重要なコンポーネントであるため、スマートフォンのバッテリー寿命から電気自動車のエネルギー貯蔵まで、さまざまなことを改善する可能性があります。
コロラド高原下の中新世リソスフェア滴下の盆地記録
Basin record of a Miocene lithosphere drip beneath the Colorado Plateau | Nature Communications
この研究では、高い標高の高原地帯の隆起は、重力的に不安定な岩石圏の沈降によって引き起こされる可能性があるとされています。数値地球動力学モデルでは、岩石圏の除去により一過性で動的な地形変化が生じ、特に後に反転する湖やプレイアの堆積物に保存される可能性が示唆されています。しかし、そのような保存例はごくわずかしか報告されていません。本研究では、ミオセン期のビダホチ盆地が、コロラド高原の>100 km深の粘性滴下岩石圏の準楕円形の地表応答の記録を保存していることを示します。新しい堆積性ジルコンのU-Pb、Lu-Hf、および微量元素のデータにより、盆地近傍のマグマ活動における系統的な同位体、地球化学的、温度およびfO2の変化を明らかにします。地球物理学的、地球化学的、地質学的証拠を統合することで、厚い岩石圏を持つ高原地帯の下で進行する滴下のモデルに一致する、空間的かつ時間的に変動する沈降と隆起の記録を支持します。コロラド高原では、岩石圏の強度にもかかわらず、個々の岩石圏滴下のスケールで動的地形が認識できることを実証します。
a Modern topography and the distribution of faults (yellow lines)71 relative to the locations of the Hopi Buttes Volcanic Field, the Bidahochi Basin, and the Escalante anomaly (dashed—Vp anomaly at 95 km; solid—125 km; dotted—195 km), interpreted to be an active lithosphere drip beneath the Colorado Plateau7. Anomaly contour at 125 km (solid white line) is reproduced in subfigures (c) and (d) for reference. b Structural contour map of the Mesozoic-Paleozoic boundary showing major structural uplifts and basins of the Colorado Plateau38,72; c GRACE free-air gravity anomaly projected on base of modern topography (GeoMapApp), with −2 to −3 m contours of the filtered lithospheric geoid (degree/order filter of 14/17-355/360)4 and d depth slice at 125 km of Vp anomaly, with white dotted and dashed lines marking the interpreted transition between fast and slow anomalies at depths of 125 and 90 km, respectively73. Shaded area in top inset shows bounds of displayed visualizations. In a, solid light blue outline (1) indicates the (disputed) maximum extent of the Hopi Paleolake assuming no change in topography over time, while the dashed outline (2) indicates the exposed extent of the lower to middle members of the Bidahochi Formation, with the interpolated contours of the basal unconformity shown directly above. Note that this outline does not necessarily define the maximum extent of the basin or a lakeshore highstand of the paleolake. State boundaries and the cross-section line (A-A′-A″) of Fig. 4 are projected on all images. v.e.—vertical exaggeration; Kaip.—Kaiporowitz Basin; H.Mt.—Henry Mt. Basin. CRPR—Crooked Ridge Paleoriver. Additional map views of this figure are available as Supplementary Fig. 1.
事前情報
高い標高の高原地帯の隆起は、重力的に不安定な岩石圏の沈降によるものと考えられている。 数値地球動力学モデルでは、岩石圏の除去が一過性で動的な地形変化をもたらす可能性が示唆されている。 保存された動的地形の例は極めて少ない。
行ったこと
Miocene Bidahochi盆地とHopi古代湖の堆積物を調査し、ビダホチ盆地がコロラド高原の>100 km深の粘性滴下岩石圏の地表応答の記録を保持していることを示す。
検証方法
新しい堆積性ジルコンのU-Pb、Lu-Hf、および微量元素のデータを使用して、盆地近傍のマグマ活動における系統的な同位体、地球化学的、温度およびfO2の変化を明らかにする。 地球物理学的、地球化学的、地質学的証拠を統合して、滴下のモデルに一致する空間的かつ時間的に変動する沈降と隆起の記録を確立する。
分かったこと
ビダホチ盆地は、コロラド高原の岩石圏滴下による地表応答の記録を保存している。 新しい堆積性ジルコンのデータから、マグマ活動における系統的な変化が観察された。
この研究の面白く独創的なところ
この研究では、コロラド高原の厚い岩石圏を持つ高原地帯においても、個々の岩石圏滴下のスケールで動的地形が保存されていることを初めて示している。
応用
この研究の結果は、高原地帯の隆起メカニズムに関する理解を深めるのに役立ちます。また、他の地域の地形変化や岩石圏の動的挙動を理解するための手掛かりとなる可能性があります。
水星におけるサブストーム関連インパルス電子注入の直接的証拠
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39565-4
我々の惑星地球のように、水星も磁場を持っています。その磁場は太陽風と相互作用して、いくつかのプロセスを引き起こします。この研究では、そうしたプロセスの一つである電子の注入について、初めて具体的な証拠を示しました。この発見は、宇宙全体のオーロラ（北極光）を発生させる一般的なメカニズムの一部として、重要な意味を持ちます。
The magnetic field lines connected to the trajectory and the planet are obtained from the KT17 model (shown by gray dashed lines, see “Methods” section). Orange and dark lines represent the locations (solid, along the trajectory and dashed, the corresponding closed field lines) where the duskside ULF fluctuations and the energy-time dispersed electron injections have been observed, respectively. A Trajectory in the YZ plane (in MSO coordinates) projected onto a surface map of detected X-ray aurora by MESSENGER10. The times of the observations are marked on the trajectory of BepiColombo (solid black line), and the black line without marks represents the MEA2 count normalized by the event shown in Fig. 4. B Trajectory in the XY plane (in MSO coordinates) relating the electron injections detected by BepiColombo with the dipolarizations detected by MESSENGER38. 2D colors indicates the number of dipolarizations and the magenta line around X = −1 represents the plasma beta = 1.
①事前情報：
水星の磁場は、太陽風と相互作用して小さな磁気圏を形成します。この磁気圏は地球の磁気圏に似ていますが、大きさは地球の5%程度しかありません。そのため、太陽風との相互作用によって磁気圏は素早く再構成されます。
②行ったこと：
研究チームは、BepiColomboの水星フライバイ中に得られた観測データを分析しました。
③検証方法：
プラズマの観測データを分析して、磁気圏での電子の振る舞いとその効果について調査しました。
④分かったこと：
研究チームは、水星の磁気圏で電子が加速し、急速に移動し、最終的に惑星の夜側の閉じた磁場線上に注入されることを示す証拠を見つけました。
⑤この研究の面白く独創的なところ：
これまでにない新たな観測結果をもとに、水星の磁気圏における電子の役割を明らかにし、地球以外の惑星でもオーロラを生成する一般的なメカニズムを示した点が独創的です。
応用
この研究は、惑星間空間天気予報の改善や、宇宙探査ミッションの計画、宇宙環境への理解を深めるための基礎的な研究として応用できます。
3Dおよび機械的に調整可能な導電性ハイドロゲルの液中印刷
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39970-9
電子デバイスを作るための特別なゲル（これを導電性ハイドロゲルと言います）を3Dプリントする新たな方法を見つけました。このゲルは生体組織と非常によく対応し、柔軟性がありますので、人間の体内で電子デバイスとして使えます。彼らの技術は、ゲルの硬さや形を細かく調整でき、さらに高い電気伝導性を持っています。これにより、病気の治療や身体のモニタリングなどのための新たなバイオチップを作ることが可能になります。
a Schematic of the 3D printing of PEDOT:PSS-based aqueous threads in an oil. PEDOT:PSS–PDMS surfactants self-assemble at the liquid-liquid interface, forming an elastic wall that allows the liquid ink architecture to maintain integrity for the subsequent treatments. b Schematic of the soft PEDOT device for wireless sensing and simulation. c Photographic images showing the liquid-in-liquid 3D print with and without interfacial PPSs assembly. The scale bar is 3 mm. d Photographic images showing the cured hydrogels with different stiffnesses. The scale bar is 3 mm. e The combination of high elasticity and conductivity of the hydrogel allows effective current transmission under arbitrary deformation. The scale bar is 1 cm.
①事前情報：
導電性ハイドロゲルは、その柔軟性と生体親和性から、医療機器や生体電子機器の材料として有望視されています。しかし、その製造方法は2D形状が主で、3D形状を作るのは難しいとされていました。また、物理的な硬さや導電性の調整が難しいという課題もありました。
②行ったこと：
3Dプリント技術を用いて、硬さや形状、導電性を調整可能な導電性ハイドロゲルを製造する新たな方法を開発しました。
③検証方法：
彼らは「液中液」3Dプリントという方法を用いました。これは、ある種の液体（インク）を別の液体（ここでは油）に押し出し、3D構造を形成する方法です。インクには導電性ポリマー（PEDOT:PSS）が含まれており、これが3D構造を維持する役割を果たしています。
④分かったこと：
この方法で作られたハイドロゲルは、導電性が301 S m−1に達し、PEDOT:PSSの含有量が非常に低い（9 mg mL−1）にもかかわらず、非常に高い導電性を示しました。さらに、このハイドロゲルの硬さは、インクの組成や交絡条件を調整することで、独立に制御できる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：
伝統的な3Dプリンティング方法とは異なり、この方法は液体と液体の間でプリントを行うため、形状や硬さを自由に制御することが可能です。また、PEDOT:PSSという導電性ポリマーを用いることで、高い導電性を実現しています。
応用
この研究の結果は、医療や生物工学の分野で多くの応用があります。例えば、体内に埋め込むことができるバイオチップの製造や、疾患の治療に用いる電子デバイスの製造などが考えられます。
遷移金属ジカルコゲナイド超伝導ナノ回路のトポタクティック作製
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39997-y
この研究は、遷移金属カルコゲナイドという特殊な種類の超伝導体（電気を無損失で伝導する物質）から微細な回路を作る新しい方法についてです。研究者たちは、これらの回路をパターニングするためにトポタクティック変換という方法を使用し、単一光子検出などの潜在的な応用例を示しました。超伝導体は、強力なマグネット、エネルギー効率の高い電力伝送、敏感な科学機器など、多くの技術で重要な役割を果たしています。
The top-down patterning method involves three steps: (i) deposition of metal films on a substrate; (ii) chalcogenization of metal films into TMDSC films; and (iii) etching of TMDSC films into nanopatterns with severe degradation. In contrast, the topotactic fabrication method topotactically chalcogenizes the prefabricated partially-oxidized metal nanopatterns, which avoids the destruction of the TMDSCs from the patterning process.
事前情報
遷移金属カルコゲナイド（TMD）は、電気をゼロ抵抗で伝導する物質、つまり超伝導体としての可能性を示している材料です。しかし、これらの材料からパターンまたは回路を作ることは、その環境不安定性のために困難でした。
行ったこと
研究者たちは、トポタクティック変換というプロセスを用いました。これは、遷移金属の前駆体にパターンを作り、それらをカルコゲン雰囲気でアニール（加熱）することによって、これらのパターンをTMD超伝導体に変換する方法です。
検証方法
彼らは、顕微鏡、分光法、および電気的特性評価を用いて結果を確認しました。彼らは、彼らの方法を用いて作られたナノワイヤと、TMD薄膜からパターニングされたものとを比較しました。
分かったこと
研究者たちは、TMD超伝導体のナノ回路を作成するための彼らの方法が効果的であることを発見しました。彼らの方法で作られた回路は、TMD薄膜をパターニングすることで作られたものよりも、優れた構造的および超伝導的特性を示しました。
この研究の面白く独創的なところ
この研究のユニークな点は、トポタクティック変換という新しいアプローチを用いて、有望な超伝導体の一種である遷移金属カルコゲナイドから超伝導ナノ回路を作成することです。
応用
この方法で作られたナノ回路は、超伝導電子デバイスで使用することができます。研究では、量子情報技術に使用される単一光子検出器が例として挙げられています。
最後に
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