科学家揭示火蚁用身躯搭建“蚁筏”背后的科学原理

科学家揭示火蚁用身躯搭建“蚁筏”背后的科学原理 宾汉姆顿大学（Binghamton University）的研究人员正在探索火蚁如何形成浮筏在洪水中生存，目的是将这些生物机制应用到材料科学中。研究小组对这些蚂蚁浮筏的适应性和机械特性进行了研究，发现它们表现出一种独特的"捕捉粘合"行为，能在压力下增强强度。这项研究可能会开发出能在机械应力作用下自我强化的创新材料，有望应用于生物医学植入物和软机器人等多个领域。资料来源：罗伯特-瓦格纳当洪水侵袭火蚁生活的地区时，火蚁的生存对策是把蚁群螯合在一起，形成一个有浮力的"筏子"，漂浮在水面上，使蚁群团结在一起。把它想象成一种浓缩的、适应性强的材料，其中的构件单个的蚂蚁实际上是有生命的。宾汉姆顿大学助理教授罗布-瓦格纳（Rob Wagner）作为科罗拉多大学博尔德分校弗内里软物质力学实验室（Vernerey Soft Matter Mechanics Lab）的成员领导了这项研究，他们在研究中调查了这些活体筏的适应性反应。研究目标是了解它们如何自主变形和改变机械特性，然后将最简单、最有用的发现融入人造材料中。他说："生命系统一直让我着迷，因为它们能实现我们目前的工程材料无法实现的东西甚至差得很远。我们制造大块聚合物系统、金属和陶瓷，但它们都是被动的。这些成分不能像每一个生命系统那样储存能量，然后将能量转化为机械功。"瓦格纳认为，这种能量的储存和转换对于模仿生命系统的智能和自适应行为至关重要。在最近发表在《美国国家科学院院刊》上的论文中，科罗拉多大学的瓦格纳和他的合著者研究了火蚁蚁排在拉伸时对机械负荷的反应，并将这些蚁排的反应与动态自愈聚合物进行了比较。瓦格纳说："许多聚合物是通过动态键结合在一起的，这些键会断裂，但可以重组。如果拉得足够慢，这些键就有时间重组材料，这样它就不会断裂，而是像孩子们玩的粘液或软冰淇淋一样流动。如果拉得很快，它就会像粉笔一样断裂。由于筏子是由蚂蚁相互粘连在一起的，它们之间的粘结可以断裂，也可以重组。所以，我和我的同事认为它们也会做同样的事情。"但瓦格纳和他的合作者发现，无论他们以何种速度拉动蚂蚁排，它们的机械反应几乎都是一样的，而且它们从未流动过。瓦格纳推测，蚂蚁在感觉到力的时候会反射性地收紧并延长抓握的时间，因为它们想保持在一起。它们要么减弱，要么关闭动态行为。测试火蚁筏在拉伸时对机械负荷的反应的实验。资料来源：罗伯特-瓦格纳这种受力后粘结力增强的现象被称为"捕捉粘结行为"，它很可能会增强蚁群的凝聚力，这对蚁群的生存是有意义的。"当你用一定的力量拉动典型的粘合剂时，它们会更快松开，寿命也会缩短你拉动粘合剂，就是在削弱它。这就是你在几乎所有被动系统中看到的情况，"瓦格纳说。"但在生命系统中，由于其复杂性，有时你会发现在一定范围的外力作用下，捕捉到的键能保持更长的时间。有些蛋白质会自动机械地做到这一点，但这并不是蛋白质在做决定。它们只是以这样一种方式排列，当施加外力时，就会显示出这些锁定或'捕捉'的结合位点。"瓦格纳认为，在工程系统中模仿这些捕捉键，可以制造出在机械应力较大的区域表现出自主、局部自强的人造材料。这可以延长生物医学植入物、粘合剂、纤维复合材料、软机器人组件和许多其他系统的寿命。像火蚁蚁排这样的昆虫集体聚集体已经在启发研究人员开发具有刺激响应机械特性和行为的材料。今年早些时候发表在《自然-材料》（Nature Materials ）上的一篇论文由德克萨斯农工大学的瓦尔响应生物材料实验室（Ware Responsive Biomaterials Lab）领导，论文作者包括瓦格纳（Wagner）和他的前论文导师弗朗克-J.Vernerey 教授的贡献该论文展示了由被称为液晶弹性体的特殊凝胶或材料制成的带子如何在加热过程中盘旋，然后相互缠绕，形成类似固体的凝结结构，其灵感正是来自于这些蚂蚁。瓦格纳说："这项工作的一个自然进展就是回答我们如何才能让这些带子或其他软构件之间的相互作用像火蚁和一些生物分子相互作用那样在负载下'接住'。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家利用激光技术揭示了量子材料隐藏的特性

科学家利用激光技术揭示了量子材料隐藏的特性 加州大学圣迭戈分校的研究人员利用一种先进的光学技术进一步了解了一种名为Ta2NiSe5（TNS）的量子材料。他们的研究成果发表在《自然-材料》（Nature Materials）杂志上。材料可以通过不同的外部刺激受到扰动，通常是温度或压力的变化；然而，由于光是宇宙中速度最快的东西，材料对光刺激的反应非常快，从而揭示出原本隐藏的特性。通过改进技术，研究小组获得了更广泛的频率范围，从而揭示了 TNS 激子凝聚态的一些隐藏特性。资料来源：Sheikh Rubaiat Ul Haque / 斯坦福大学量子材料中的先进光学技术"从本质上讲，我们用激光照射一种材料，这就像定格摄影，我们可以逐步跟踪该材料的某种特性，"领导这项研究的物理学教授理查德-阿维特说，他也是论文的作者之一。"通过观察组成粒子如何在该系统中移动，我们可以找出这些以其他方式很难发现的特性。"该实验由第一作者谢赫-鲁巴亚特-乌尔-哈克（Sheikh Rubaiat Ul Haque）完成，他于2023年从加州大学圣地亚哥分校毕业，现在是斯坦福大学的一名博士后学者。他与阿弗里特实验室的另一名研究生张远一起改进了一种名为太赫兹时域光谱学的技术。这项技术允许科学家在一定频率范围内测量材料的特性，而哈克的改进使他们能够获得更广泛的频率范围。量子态和光放大这项工作基于论文的另一位作者、苏黎世联邦理工学院教授尤金-德姆勒（Eugene Demler）提出的理论。Demler 和他的研究生马里奥斯-迈克尔（Marios Michael）提出了这样一个观点：当某些量子材料被光激发时，它们可能会变成一种能放大太赫兹频率光的介质。这促使哈克及其同事仔细研究 TNS 的光学特性。当电子被光子激发到更高的层次时，会留下一个空穴。如果电子和空穴结合在一起，就会产生激子。激子还可能形成凝聚态当粒子聚集在一起并表现为单一实体时会出现的一种状态。在 Demler 理论的支持下，利用马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所 Angel Rubio 小组的密度泛函计算，研究小组得以观测到反常的太赫兹光放大现象，从而揭示了 TNS 激子凝聚态的一些隐藏特性。凝缩物是一种定义明确的量子态，使用这种光谱技术可以将它们的某些量子特性印刻到光上。这可能会对利用量子材料的纠缠光源（多个光源具有相互关联的特性）这一新兴领域产生影响。哈克说："我认为这是一个广阔的领域。Demler的理论可以应用于一系列具有非线性光学特性的其他材料。有了这项技术，我们就能发现以前从未探索过的新的光诱导现象。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家揭示让雪闪闪发光的真正原因

科学家揭示让雪闪闪发光的真正原因 究竟是什么让雪在美丽的日子里闪闪发光？了解答案的细微差别有助于更好地预报雪崩和改善冬季道路状况。图片来源：Mathieu Nguyen"雪能反射所有波长的光线，根据不同的条件和光线照射的角度，雪的颜色也会大不相同。雪的年龄和密度以及空气污染也会影响雪的外观。雪的外观是一个非常复杂的问题。"他已经分析了一千多张雪地图像。"这种方法可用于多种传感器技术，包括为我们提供更好的决策依据，让我们知道何时应该清理道路，以及更密切地监测山区雪崩的风险等"。其中，阮研究了雪是如何吸收和反射光线的，而太阳如何让雪的晶体闪闪发光尤其令人感兴趣。他认为，冬季景观的美丽外观可能是解答多年来困惑研究人员的一系列问题的关键。"但首先，是什么让雪在阳光明媚的日子里闪闪发光？雪是冰晶的堆积。当条件适宜时，它们就像一面面小镜子。如果它们的角度合适，就会将阳光直接反射到你的身上，像'火花'一样在景色中闪耀，"阮说。冬季景观中阳光与白雪的美丽交织可能会为研究人员多年来一直好奇的问题提供答案。图片来源：Mathieu Nguyen关于不同金属如何以这种方式闪闪发光，已经进行了许多研究，但人们对雪的闪光仍然知之甚少。阮说："如果我们在挪威拥有完全自动驾驶的汽车，这类技术也将有助于提高冬季道路上的行车安全。"因此，他试图找出这些火花在不同条件下的雪地图像中的对比度和密度是如何变化的。他希望这将提供一种分析方法，使我们能够从图像中对不同类型的雪进行分类。马蒂厄-阮（Mathieu Nguyen）分析了一千多张雪景照片。图片来源：Mads Wang-Svendsen"这种方法可用于多种传感器技术，包括为我们提供更好的决策依据，帮助我们确定何时应该清理道路，以及更密切地监测山区雪崩的风险等。阮说："如果我们在挪威拥有完全自动驾驶的汽车，这类技术也将有助于提高冬季道路行驶的安全性。"实地考察期间拍摄的雪景图像。(左）带有明显火花的雪地图像。(右）雪地图像，有明显的火花和一点颗粒感。使用不同焦距拍摄的带有火花的雪景图像示例。(左）使用 60 毫米焦距拍摄的照片。(右）使用 300 毫米焦距拍摄的照片。到目前为止，研究人员只收集了挪威东部多个地方的数据。研究结果很有希望，表明闪光可以用来对雪的粒度进行分类。然而，要对雪的类型进行更精确的分类，需要比他们目前所研究的数据量大得多的数据。最好是来自世界各地的图像。从环境不同的其他地方获取图像将非常重要。了解不同程度的污染如何对雪的外观和特性产生影响至关重要。除了难以从图像中解读之外，长期以来，用数字技术再现雪的难度也令人吃惊。如今，我们在电脑游戏和模拟器中对雪的人工表现并不比白色表面好多少。他在这方面的研究结果也显示出了良好的前景。他相信研究成果将为那些没有雪的人们提供良好的过冬体验 - 在未来，雪可能会越来越少。根据挪威气象研究所的数据，2050 年将有 100 多万挪威人生活在冬季不足一个月的地方。此外，最近在《自然》杂志上发表的一项研究证实，由于人为的气候变化，整个北半球都将面临降雪量减少的未来。如果我们要让从未见过雪的人了解雪，我们就必须能够再现雪的复杂性。参考文献：Mathieu Nguyen、Jean-Baptiste Thomas 和 Ivar Farup 于 2024 年 1 月 28 日在《地球科学》上发表的 "探索现场测量雪的视觉外观的成像方法"。DOI: 10.3390/geosciences14020035编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家发现了5种不同的睡眠类型：它们揭示了您的健康状况

科学家发现了5种不同的睡眠类型：它们揭示了您的健康状况 研究人员还发现，与仅仅依靠一个人的平均睡眠表型相比，一个人在不同睡眠表型之间切换的方式和频率可以为检测健康状况提供两到十倍的相关信息。这项研究最近发表在《npj 数字医学》杂志上。研究人员利用从Oura Ring一种追踪睡眠、皮肤温度和其他信息的智能戒指收集到的数据，对个人进行了为期数月的观察，记录了他们是否患有糖尿病和睡眠呼吸暂停等慢性疾病，或者是否患有COVID-19和流感等疾病。研究小组发现，随着时间的推移，人们经常会在不同的睡眠表型之间转换，这反映了个人健康状况的变化，并通过研究人员创建的数据驱动的睡眠景观，创造了类似于个人旅行日志的记录。加州大学圣地亚哥分校博士生瓦伦-维斯瓦纳特（Varun Viswanath）是这篇论文的通讯作者。研究人员分析了来自 Oura 戒指的数据，这是一款可跟踪温度、睡眠和其他信息的智能可穿戴设备。图片来源：David Baillot/加州大学圣地亚哥分校"我们发现，睡眠质量的细微变化有助于我们识别健康风险。这些微小的变化不会出现在一个普通的夜晚，也不会出现在调查问卷上，因此这真正显示了可穿戴设备如何帮助我们发现那些可能被忽略的风险，"该研究的资深作者之一、加州大学圣迭戈分校雅各布斯工程学院和哈利西奥格鲁数据科学研究所的教师本杰明-斯马尔说。此外，研究人员还强调，在人群范围内长期跟踪睡眠的变化，可以获得与公共卫生相关的新见解，例如通过这些睡眠景观的一些模式变化，是否可以为慢性疾病或易感染性疾病提供早期预警。研究小组的工作基于对加州大学旧金山分校 TemPredict 数据集的新分析，该数据集是利用在 2020 年 COVID-19 大流行期间从佩戴市售 Oura 戒指的人群中收集的数据创建的。分析工作由加州大学圣迭戈分校舒千-吉恩-莱生物工程系的斯马尔和加州大学圣迭戈分校电气与计算机工程系的爱德华-王教授领导，加州大学旧金山分校的研究负责人、执业睡眠临床医生阿什利-梅森教授也参与了合作。第一作者是加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院电气与计算机工程系的研究生瓦伦-维斯瓦纳特（Varun Viswanath）。五种睡眠类型这是研究人员根据大约 33,000 人 500 万个夜晚的睡眠数据挑选出的五种睡眠表型。虽然这项研究涉及很多因素，但研究人员也发现了一些趋势，这些趋势有助于直观地区分这五种睡眠表型。表型 1：我们认为的"正常"睡眠。在这种睡眠类型中，人们至少连续六天都能获得大约八小时的不间断睡眠。这是美国国立卫生研究院推荐的睡眠类型，也是研究人员发现的最常见的睡眠类型。表型 2：大约有一半的夜晚人们会持续睡眠，但另一半夜晚他们只会短暂地睡上不到三小时。表型 3：人们的睡眠大多是连续的，但每周大约有一个晚上会出现睡眠中断。间断睡眠的特点是，一个时期的睡眠时间相对较长，约为 5 小时，另一个时期的睡眠时间较短，不足 3 小时。表型 4：人们再次出现大部分时间连续睡眠的情况。但他们会经历一些罕见的夜晚，在这些夜晚中，长时间的睡眠会被中途醒来所打断。表型 5：人们每晚只睡很短的时间。这种表型是研究人员发现的最罕见的，代表了极度紊乱的睡眠。跟踪睡眠类型的变化为了测量睡眠表型是如何随时间变化的，维斯瓦纳特构建了一个包含所有500万个夜晚的空间模型，在这个模型中，表型被表示为不同的岛屿，由大部分相似的睡眠周组成。随着时间的推移，研究人员发现了不同的模式，从而建立了每个人在岛屿之间的路线模型。由此可见，有助于区分糖尿病和睡眠呼吸暂停等慢性病患者的并不是他们的平均表型。取而代之的是他们在睡眠景观中不同岛屿之间切换的频率。这样，即使一个人很少切换表型，他们切换表型的事实仍然可以提供有关其健康状况的有用信息。研究人员根据对大约 33,000 名佩戴 Oura 戒指的人的五百万个夜晚的分析，选出了五种睡眠类型。资料来源：OURA数据显示，大多数人很少会连续几个月没有几晚睡眠中断。"我们发现，睡眠中断发生方式的细微差别可以说明很多问题。即使这些情况很少发生，其发生频率也能说明问题。因此，不仅仅是你是否睡得好，随着时间推移的睡眠模式才是隐藏关键信息的地方，"共同作者、加州大学圣地亚哥分校电子和计算机工程系教师王说。相反，人们并不倾向于保持由睡眠中断所定义的模式。但是，他们访问特定中断睡眠模式的频率说明了他们的睡眠状况如何。论文通讯作者维斯瓦纳特说："如果你想象有一个睡眠类型的景观，那么它与你倾向于住在那个景观的什么地方关系不大，而与你离开那个区域的频率关系更大。"以前的研究在6月20日发表的这篇新论文中，研究小组修改了先前研究中使用的技术，该研究是迄今为止规模最大的类似睡眠调查，从英国生物库中提取了约10.3万个夜晚的数据。之前的研究考察了睡眠时间、觉醒情况和许多相关特征，然后构建了一个夜晚之间相互关系的"景观"。但之前的研究人员没有做到两件关键的事情：他们无法进行跨时间研究，因为他们每人只有两到三个晚上的数据；他们也无法将由此得出的睡眠模式与健康结果联系起来。其他大规模睡眠分析则关注简单睡眠特征的高层次差异，如睡眠总时间。相比之下，这项新研究首次表明，研究人员可以量化人们随着时间推移而不断变化的睡眠动态，并利用这种量化让人们更好地了解自己的睡眠健康状况。研究还表明，这些睡眠变化可能预示着患各种疾病的风险较高。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家揭示蜜蜂群落中黄曲霉菌的隐秘共生

科学家揭示蜜蜂群落中黄曲霉菌的隐秘共生 黄曲霉菌对在蜂群中生存有独特的适应性。资料来源：Ling-Hsiu Liao西方蜜蜂（Apis mellifera ）以蜜蜂"面包"的形式储存大量食物，作为蜂群的主要营养。这种营养丰富的食物尽管呈酸性且含水量低，却能吸引各种微生物。此外，蜜蜂面包上还涂有蜂胶这种抗菌物质，为微生物的生存创造了一个具有挑战性的环境。尽管蜂巢中的面包不适合蜜蜂食用，但蜂巢中的微生物群包括多种细菌和真菌，它们对蜜蜂食物的准备、储存和消化非常重要。贝伦鲍姆（IGOH/GEGC/GNDP）实验室的研究生丹尼尔-布什（Daniel Bush）说："大多数关于蜜蜂面包的研究都集中在细菌上，人们认为真菌并没有发挥很大的作用，因为细菌让面包对真菌来说太不友好了。在与真菌学家交谈后，我怀疑事实并非如此，于是我开始证明真菌能够成功地在蜜蜂面包中生存。"在这项研究中，研究人员使用了三种黄曲霉菌株：一种是蜂巢中没有的菌株，一种是从伊利诺伊州中部的蜂巢中分离出来的菌株，还有一种是从感染了石蒜病的蜜蜂群中分离出来的致病菌株。他们首先测试了菌株对 pH 值和温度的反应是否存在差异。之所以研究后者，是因为蜂巢全年的温度都高于外部环境，这对许多微生物来说都是一个挑战。虽然这些菌株都能在不同的温度范围内生长，但它们在不同的 pH 值条件下生长差异明显。从蜂巢中分离出来的菌株能够承受低 pH 值，而其他两种菌株则不能。这些菌株还在不同的日照电位（衡量可用水分的多少）和对蜂胶的反应条件下进行了测试。布什说："我们看到，来自蜂巢的菌株能够应对来自菌落特定来源的极端环境压力。有趣的是，它能够处理蜂胶，而蜂胶被认为具有杀菌特性。"为了更好地了解与蜂巢相关的真菌物种是如何适应环境的，研究人员还对黄曲霉菌株进行了测序，发现它有几种基因突变，能够耐受蜜蜂面包环境的恶劣条件。布什说："我们认为，这些迹象表明，真菌有一定程度的适应性，可以帮助它与蜜蜂共同生活。我们怀疑这两种生物之间存在某种互利关系，但我们还没有找到足够的证据。"研究人员现在希望研究这种真菌在蜜蜂生命周期中对不同成分的蜜蜂面包的作用。他们希望，他们的研究工作能够揭示，常规用于保护蜂巢的杀真菌剂将如何影响这些微生物。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家设计出既坚硬又能隔热的新型混合材料

科学家设计出既坚硬又能隔热的新型混合材料 研究人员已经证明，他们有能力设计出既坚硬又能隔热的材料。这种特性的结合极为罕见，有望应用于一系列领域，如开发用于电子设备的新型隔热涂层。研究人员使用的是二维有机-无机混合包晶石材料的一个子集。这些薄膜由高度有序的晶体结构中的有机层和无机层交替组成，如图所示。资料来源：北卡罗来纳州立大学 Jun Liu"但在有些情况下，需要既坚硬又绝缘的材料。例如，你可能想制造隔热涂层，以保护电子产品免受高温影响。从历史上看，这一直是个难题。我们现在已经发现了一系列既坚硬又具有出色隔热性能的材料。更重要的是，我们可以根据需要设计这些材料，以控制它们的硬度和导热性。"Liu说：研究人员正在研究一种被称为二维有机-无机混合包晶石（2D HOIP）的材料。本文共同通讯作者、北卡罗来纳大学教堂山分校化学与应用物理科学教授 Wei You 说："这些薄膜由高度有序的晶体结构中的有机层和无机层交替组成。我们可以调整无机层或有机层的成分。"本文共同通讯作者、德克萨斯农工大学材料科学与工程系助理教授 Qing Tu 说："我们发现，通过用苯环取代有机层中的部分碳-碳链，可以控制某些二维 HOIP 的弹性模量和导热性。基本上，在这个特定的层状材料子集中，我们添加的苯环越多，材料就越硬，隔热性能就越好。"Liu说："虽然发现这些材料本身就蕴含着一系列应用的巨大潜力，但作为研究人员，我们感到特别兴奋，因为我们已经确定了造成这些特性的机制，即苯环发挥的关键作用。"在实验中，研究人员至少发现了三种不同的二维 HOIP 材料，它们的导热性能越差，硬度越高。Liu说："这项工作令人兴奋，因为它为具有理想性能组合的工程材料提供了一条新的途径。"研究人员还发现了二维 HOIP 材料的另一个有趣现象。具体来说，他们发现，通过在有机层中引入手性（即使有机层中的碳链不对称），即使有机层的成分发生了重大变化，也能有效地保持相同的硬度和导热性。这提出了一些有趣的问题，即是否能够优化这些材料的其他特性，而不必担心这些变化会影响材料的刚度或导热性。论文发表在《ACS Nano》杂志上。曾在北卡罗来纳州立大学攻读博士学位的 Ankit Negi 是该论文的第一作者。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：