科学家发明可穿越血脑屏障的纳米粒子

科学家发明可穿越血脑屏障的纳米粒子科学家们乐观地认为，他们的方法已在临床前模型中初见成效，最终可用于用一种疗法同时治疗脑转移瘤和原发性乳腺癌肿瘤。迈阿密大学米勒医学院西尔维斯特综合癌症中心的研究人员创造了一种能够穿越血脑屏障的纳米粒子。他们的目标是通过一次治疗消除原发性乳腺癌肿瘤和脑转移瘤。实验室研究表明，这种方法能有效缩小乳腺癌和脑肿瘤的体积。这些继发性肿瘤被称为脑转移瘤，最常见于乳腺癌、肺癌和结肠癌等实体瘤，通常预后较差。当癌症侵入大脑时，治疗就会变得非常困难，部分原因是血脑屏障，这是一层几乎无法穿透的薄膜，将大脑与身体的其他部分隔开。领导这项研究的生物化学与分子生物学副教授、西尔维斯特公司技术与创新部助理主任香塔-达尔（ShantaDhar）博士说，西尔维斯特团队的纳米粒子有朝一日可能被用于治疗转移瘤，同时还能治疗原发肿瘤。她是5月6日发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文的资深作者。ShantaDhar博士Credit:Sylvester研究人员在粒子中加入了两种针对线粒体（细胞的能量产生中心）的原药，结果表明，他们的方法可以在临床前研究中缩小乳腺和脑肿瘤。达尔说："我总是说纳米医学是未来，当然我们已经进入了这个未来。"他指的是市售的COVID-19疫苗，其配方中使用了纳米颗粒。"纳米医学肯定也是癌症疗法的未来"。这种新方法使用了一种由生物可降解聚合物制成的纳米粒子，这种聚合物是由达尔的研究小组之前开发的，同时还使用了她的实验室开发的两种针对癌症能量来源的药物。由于癌细胞的新陈代谢形式往往不同于健康细胞，因此抑制癌细胞的新陈代谢可以有效地杀死肿瘤，而不伤害其他组织。其中一种药物是经典化疗药物顺铂的改良版，它通过破坏快速生长细胞的DNA来杀死癌细胞，从而有效阻止其生长。但肿瘤细胞可以修复自己的DNA，有时会导致顺铂产生抗药性。达尔的研究小组对这种药物进行了改良，将其目标从核DNA（构成染色体和基因组的DNA）转移到线粒体DNA。线粒体是我们细胞的能量来源，包含自己小得多的基因组，而且对于癌症治疗来说，重要的是，线粒体不具备与我们的大基因组相同的DNA修复机制。由于癌细胞可以在不同的能量来源之间切换，以维持其生长和增殖，研究人员将他们的改良顺铂（他们称之为Platin-M，攻击称为氧化磷酸化的能量生成过程）与他们开发的另一种药物Mito-DCA结合起来，后者专门针对一种称为激酶的线粒体蛋白，抑制糖酵解（一种不同的能量生成方式）。达尔说，开发能够进入大脑的纳米粒子是一条漫长的道路。她的整个独立职业生涯都在研究纳米粒子，在之前一个研究不同形式聚合物的项目中，研究人员注意到，在临床前研究中，一些纳米粒子的一小部分可以进入大脑。通过进一步研究这些聚合物，达尔的团队开发出了一种既能穿过血脑屏障又能穿过线粒体外膜的纳米粒子。达尔说："要弄清这一点，我们经历了很多波折，我们仍在努力了解这些微粒穿过血脑屏障的机制。"研究小组随后在临床前研究中测试了这种特制的载药纳米粒子，发现它们能缩小乳腺肿瘤和在大脑中播种形成肿瘤的乳腺癌细胞。在实验室研究中，这种纳米粒子-药物组合似乎也是无毒的，并能显著延长存活时间。下一步，研究小组希望在实验室中测试他们的方法，以更接近地复制人类脑转移灶，甚至可能使用源自患者的癌细胞。他们还想在胶质母细胞瘤（一种侵袭性特别强的脑癌）的实验室模型中测试这种药物。在达尔实验室工作的迈阿密大学博士生阿卡什-阿肖坎（AkashAshokan）说："我对高分子化学非常感兴趣，将其用于医疗目的真的让我着迷，"阿卡什-阿肖坎是这项研究的共同第一作者，他与博士生舒丽塔-萨卡尔（ShritaSarkar）共同完成了这项研究。"看到它被应用于癌症治疗，我感到非常高兴。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430599.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430599.htm

科学家发明有效地将废热转化为电能的新方法

科学家发明有效地将废热转化为电能的新方法美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员制造了一种新型设备，可以显着促进热能转化为电能。如果完善，该技术可以帮助回收在美国以每年约1000亿美元的速度浪费的部分热能。由NIST研究员KrisBertness和她的合作者开发的新制造技术包括在硅晶片上沉积数十万个微小的氮化镓柱。然后从晶圆底面去除硅层，直到只剩下一层薄薄的材料。柱子和硅片之间的相互作用减缓了硅中的热量传输，使更多的热量能够转化为电流。Bertness和她在科罗拉多大学博尔德分校的合作者最近在AdvancedMaterials杂志上报告了这一发现。制造方法完善后，硅片就可以缠绕在蒸汽管或排气管上，将热排放转化为电能，为附近的设备供电或输送到电网。另一个潜在的应用是冷却计算机芯片。通过在硅膜上生长纳米柱，NIST的科学家和他们的同事在不降低电导率的情况下将热传导减少了21%，这一结果可以显着促进热能向电能的转化。在固体中，热能由声子携带，声子是晶格中原子的周期性振动。膜中声子的某些振动与纳米柱中的声子产生共振，从而减缓热传递。至关重要的是，纳米柱不会减慢电子的运动速度，因此导电率仍然很高，从而创造出一种优质的热电材料。图片来源：S.Kelley/NISTNIST-科罗拉多大学的研究基于德国物理学家ThomasSeebeck最先发现的一个奇怪现象。在1820年代初期，塞贝克正在研究两根金属丝，每根金属丝由不同的材料制成，两端连接在一起形成一个环。他观察到，当连接电线的两个连接点保持不同温度时，附近的罗盘针会偏转。其他科学家很快意识到偏转的发生是因为温差在两个区域之间感应出电压，导致电流从较热的区域流向较冷的区域。电流产生了使罗盘针偏转的磁场。从理论上讲，所谓的塞贝克效应可能是回收否则会损失的热能的理想方式。但是有一个主要障碍。一种材料必须导热性差，以保持两个区域之间的温差，同时又必须非常好地导电，以将热量转化为大量电能。然而，对于大多数物质来说，导热性和导电性是齐头并进的；不良的热导体会导致不良的电导体，反之亦然。在研究热电转换的物理过程中，科罗拉多大学的理论家马哈茂德侯赛因发现，这些特性可以在覆盖有纳米柱的薄膜中解耦——立柱的材料长度不超过百万分之几米，或大约一米-人类头发厚度的十分之一。他的发现促成了与Bertness的合作。Bertness、Hussein和他们的同事使用纳米柱成功地将硅片中的热导率与电导率解耦——这在任何材料中都是首次，也是实现热能高效转换为电能的里程碑。研究人员在不降低其电导率或改变塞贝克效应的情况下，将硅片的热导率降低了21%。在硅和其他固体中，原子受到化学键的约束，不能自由移动以传递热量。因此，热能的传输采用声子的形式——移动原子的集体振动。氮化镓纳米柱和硅片都携带声子，但纳米柱内的声子是驻波，被微小柱的壁固定，就像振动的吉他弦在两端固定一样。在硅片中传播的声子与纳米柱中的振动之间的相互作用会减慢传播的声子，使热量更难通过材料。这降低了热导率，从而增加了从一端到另一端的温差。同样重要的是，声子相互作用适应完成这一壮举，同时保持硅片的导电能力不变。该团队现在正在研究完全由硅制成的结构，并具有更好的热电热回收几何形状。研究人员希望展示足够高的热电转换率，使他们的技术在工业上具有经济可行性。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1362827.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1362827.htm

科学家用纳米粒子"剥开"极微小事物世界的秘密

科学家用纳米粒子"剥开"极微小事物世界的秘密发表在《科学进展》（ScienceAdvances）杂志上的这一发现为医学科学领域带来了巨大的潜力。它提出了一种具有成本效益和高效的方法来检查那些太小而无法被显微镜看到的物体。这项研究还可以通过加强计算机芯片生产的质量控制过程对半导体行业产生积极影响。澳大利亚国立大学的技术使用精心设计的纳米粒子，将照相机和其他技术看到的光的频率提高了七倍。研究人员说，光的频率能提高到多高是"没有限制的"。频率越高，我们使用该光源所能看到的物体就越小。这项技术只需要一个纳米粒子就能工作，它可以被应用到显微镜中，帮助科学家以传统显微镜10倍的分辨率放大到超小事物的世界。这将使研究人员能够研究那些本来太小而无法看到的物体，如细胞的内部结构和单个病毒。能够分析这样的小物体可以帮助科学家更好地理解和对抗某些疾病和健康状况。"传统的显微镜只能研究大于约一千万分之一米的物体。然而，包括医学领域在内的一系列部门对能够分析小到十亿分之一米的物体的需求越来越大，"主要作者、来自澳大利亚国立大学物理研究学院和阿德莱德大学的AnastasiiaZalogina博士说。研究人员说，ANU开发的纳米技术可以帮助创建新一代的显微镜，可以产生更详细的图像。"想要对极小的纳米级物体产生高倍放大的图像的科学家们不能使用传统的光学显微镜。相反，他们必须依靠超分辨率显微镜技术或使用电子显微镜来研究这些微小物体，"Zalogina博士说。"但是这种技术很慢，而且技术非常昂贵，往往要花费超过一百万美元。电子显微镜的另一个缺点是它可能会损坏正在分析的精细样品，而基于光的显微镜则可以缓解这一问题。"研究人员认为是彩虹的不同颜色的光束是以不同频率振荡的电磁波。我们所看到的红色是我们的眼睛所能检测到的最低频率。人眼无法看到的更低频率被称为红外线。紫色具有我们能看到的最高的光频率，紫外线的频率甚至更高，但人眼却看不见。虽然我们的眼睛无法检测到红外线和紫外线，但我们有可能利用相机和其他技术"看到"它。同样来自ANU的共同作者SergeyKruk博士说，研究人员对实现非常高频率的光感兴趣，也被称为'极紫外光'。"与使用红光相比，用紫光我们可以看到更小的东西。而利用极紫外光源，我们可以看到今天传统显微镜所能看到的东西，"Kruk博士说。澳大利亚国立大学的技术也可用于半导体行业，作为一种质量控制措施，以确保简化的制造过程。"算机芯片由非常微小的部件组成，其特征尺寸几乎小到十亿分之一米。在芯片生产过程中，制造商使用微小的极紫外光源来实时监测这一过程，以便尽早诊断出任何问题，这将是有益的。这样一来，制造商就可以在坏的批次的芯片上节省资源和时间，从而提高芯片制造的产量。据估计，计算机芯片制造的收益率提高一个百分点，就会转化为20亿美元的节约。澳大利亚蓬勃发展的光学和光子学产业由近500家公司代表，占约43亿美元的经济活动，使我们的高科技生态系统有能力采用新型光源，以进入纳米技术产业和研究的新全球市场。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1358825.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1358825.htm

科学家开发出新型纳米材料 带来控制火灾的新方法

科学家开发出新型纳米材料带来控制火灾的新方法高温火焰对于生产多种材料至关重要。然而，控制火焰及其与目标材料的相互作用是一项挑战。科学家们现在已经开发出一种方法，利用分子薄保护层来控制火焰的热量与材料的相互作用--驯服火焰，让用户能够精细调整加工材料的特性。PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1377999.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1377999.htm

科学家提出搜寻暗物质的新方法

科学家提出搜寻暗物质的新方法自暗物质被发现以来，科学家们一直未能探测到它，即使几十年来在世界各地部署了多个超灵敏粒子探测器实验也无济于事。现在，美国能源部（DOE）SLAC国家加速器实验室的物理学家们提出了一种利用量子设备寻找暗物质的新方法。SLAC物理学家丽贝卡-利恩（RebeccaLeane）是这项新研究的作者之一，她认为大多数暗物质实验都在寻找银河系暗物质，这种暗物质会直接从太空发射到地球上，但另一种暗物质可能已经在地球周围徘徊了很多年。利恩说："暗物质进入地球后，会四处弹跳，最终被地球的引力场困住。随着时间的推移，这种热化暗物质的密度会比少数松散的星系粒子更高，这意味着它更有可能撞上探测器。不幸的是，热化暗物质的移动速度要比银河系暗物质慢得多，这意味着它传递的能量要比银河系暗物质少得多--传统探测器可能无法看到。"有鉴于此，利恩和SLAC博士后研究员阿尼尔班-达斯找到了SLAC的科学家诺亚-库林斯基，他是一个新实验室的负责人，主要研究用量子传感器探测暗物质。库林斯基说，科学家通常认为这是因为冷却系统不完善或环境中存在热源。但他说，可能还有其他原因："如果我们实际上有一个完美的冷系统，而我们无法有效冷却它的原因是它不断受到暗物质的轰击呢？"达斯、库林斯基和利恩想知道，超导量子设备是否可以重新设计为热化暗物质探测器。根据他们的计算，激活量子传感器所需的最小能量足够低，约为千分之一电子伏特，因此它可以探测到低能量的银河系暗物质以及悬浮在地球周围的热化暗物质粒子。当然，这并不意味着暗物质是量子设备失灵的罪魁祸首--只是说它是可能的，下一步就是要弄清楚他们能否以及如何将敏感的量子设备变成暗物质探测器。因此，有几件事需要考虑。首先，也许有更好的材料来制造这种装置。利恩说："我们一开始考虑的是铝，这只是因为铝可能是迄今为止用于探测器的特性最好的材料。但事实可能证明，对于我们正在研究的质量范围和我们想要使用的探测器类型，也许有更好的材料。"利恩说，还有一种可能性是，热化暗物质与量子设备的相互作用不会像银河系暗物质被怀疑与直接探测设备的相互作用那样。在这项研究中只是考虑了暗物质进入并直接弹开探测器的简单情况，但它还可以做很多其他事情。例如，其他粒子可能与暗物质相互作用，改变探测器中粒子的分布方式。"这就是在SLAC工作的好处之一。我们确实有相当多样化的小组在从事许多不同的科学研究，我觉得这个项目是SLAC研究的一个非常好的协同效应。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1429970.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1429970.htm

成像革命：科学家用超成像新方法突破光学衍射极限

成像革命：科学家用超成像新方法突破光学衍射极限超级透镜在实频和合成复频激励下的成像示意图。同一物体在不同的实频照明下通过超级透镜成像时，会产生不同程度的模糊图像，没有一个实频图像能辨别出物体的真实外观。将多个单频图像的场振幅和相位组合起来，最终就能获得清晰的图像。资料来源：香港大学成像在生物学、医学和材料科学等许多领域都发挥着重要作用。光学显微镜利用光对微小物体进行成像。然而，传统显微镜最多只能分辨光波长数量级的特征尺寸，这就是所谓的衍射极限。为了克服衍射极限，伦敦帝国理工学院的约翰-彭德里爵士提出了超透镜的概念，超透镜可以由负指数介质或银等贵金属制成。随后，香港大学现任校长张翔教授与他当时在加州大学伯克利分校的团队一起，利用银薄膜和银/电介质多层堆栈实验证明了超成像技术。这些工作广泛推动了超级透镜技术的发展和应用。遗憾的是，所有超透镜都不可避免地存在光学损耗，它会将光能转化为热能。这严重影响了超透镜等光学设备的性能，因为它们依赖于光波所携带信息的忠实传递。字母"H"的多实频和复频成像图案。资料来源：香港大学过去三十年来，光学损耗一直是制约纳米光子学发展的主要限制因素。如果能解决这个问题，包括传感、超成像和纳米光子电路在内的许多应用都将受益匪浅。论文通讯作者、港大物理系临时系主任张爽教授解释研究重点时说："为了解决一些重要应用中的光学损耗问题，我们提出了一个实用的解决方案--利用新颖的合成复波激励获得虚拟增益，然后抵消光学系统的固有损耗。作为验证，我们将这种方法应用于超级透镜成像机制，从理论上显著提高了成像分辨率。我们使用双曲超材料制成的超透镜在微波频率范围内和偏振子超材料制成的超透镜在光学频率范围内进行实验，进一步证明了我们的理论。"论文第一作者、香港大学博士后关复新博士补充说："不出所料，我们获得了与理论预测一致的出色成像结果。"克服光损耗的多频方法在这项研究中，研究人员采用了一种新颖的多频方法来克服损耗对超成像的负面影响。复频波可用来提供虚拟增益，以补偿光学系统中的损耗。复频是什么意思？波的频率是指波在时间上的振荡速度。将频率视为实数是很自然的。有趣的是，频率的概念可以扩展到复数域，在复数域中，频率的虚部也具有明确的物理意义，即波在时间上放大或衰减的速度。因此，对于复频波来说，波的振荡和放大是同时发生的。对于虚部为负（正）的复频，波在时间上会衰减（放大）。实频波（a）、复频波（b）和截断复频波（c）的电场剖面图。由多个实频的线性组合合成的截短复频波（d）。资料来源：香港大学当然，理想的复频波并不符合物理原理，因为当时间达到正无穷大或负无穷大时，复频波就会发散，这取决于其虚部的符号。因此，任何现实中的复频波都需要在时间上截断，以避免发散。直接基于复频波的光学测量需要在时域中进行，这将涉及复杂的时间门控测量，因此迄今为止尚未在实验中实现。研究小组利用数学工具傅立叶变换，将截断的CFW分解为不同实际频率的多个分量，从而大大方便了CFW在超成像等各种应用中的实现。通过以固定间隔对多个实际频率进行光学测量，就可以通过数学方法将实际频率的光学响应组合起来，构建出系统在复数频率下的光学响应。使用在光频下工作的碳化硅超级透镜进行超级成像。复频测量的空间分辨率远高于实频测量。SEM图像显示了物体的性能。资料来源：香港大学作为概念验证，研究小组首先使用双曲超材料进行微波频率的超成像。双曲超材料可以携带波矢非常大（或波长非常小）的波，能够传输特征尺寸非常小的信息。然而，波矢越大，光波对光损耗就越敏感。因此，在存在损耗的情况下，这些小尺寸特征的信息会在双曲超材料内部的传播过程中丢失。研究人员的研究表明，通过适当组合在不同实际频率下测量到的模糊图像，就能在复杂频率下形成具有深亚波长分辨率的清晰图像。研究小组将这一原理进一步扩展到光学频率，采用了一种由碳化硅声子晶体制成的光学超级透镜，其工作波长为10微米左右的远红外线。在声子晶体中，晶格振动可以与光耦合，从而产生超成像效果。然而，损耗仍然是空间分辨率的限制因素。虽然在所有实际频率下成像的空间分辨率都受到损耗的限制，如纳米级孔洞的模糊图像所示，但利用由多个频率分量组成的合成CFW，可以获得超高分辨率成像。这项工作为克服纳米光子学中的一个老大难问题--光学系统中的光损耗提供了解决方案。该论文的另一位通讯作者、香港大学校长兼物理与工程学讲座教授张翔教授说："这种合成复频方法很容易推广到其他应用领域，包括分子传感和纳米光子集成电路。他称赞这是一个了不起的、普遍适用的方法，这可以用来解决其他波系统的损耗问题，包括声波、弹性波和量子波，将成像质量提升到一个新的高度。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1389571.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1389571.htm