.Long-hypothesized 'next generation wonder material' created for first time
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.All-optical phase recovery and quantitative phase imaging performed instantly without a computer
컴퓨터 없이 즉시 수행되는 전광학적 위상 회복 및 정량적 위상 이미징
기술 발전 을 위한 UCLA 엔지니어링 연구소 제공, 모든 광학 위상 복구: 정량적 위상 이미징을 위한 회절 컴퓨팅. UCLA의 엔지니어들은 처음으로 수동 공학 표면을 통한 빛의 회절만을 사용하여 물체의 정량적 위상 정보를 전체 광학적으로 복구할 수 있는 회절 네트워크의 설계를 보고합니다. 출처: Ozcan Lab, UCLA. MAY 20, 2022
생물학적 연구 및 의료 응용 분야에서 자주 사용되는 분리된 세포, 박테리아 및 얇은 조직 섹션과 같은 약한 산란 위상 물체의 광학 이미징 및 특성화는 수십 년 동안 상당한 관심을 가져왔습니다. 광학적 특성으로 인해 이러한 '위상 물체'가 광원으로 조명될 때 산란된 빛의 양은 일반적으로 표본을 직접 통과하는 빛보다 훨씬 적기 때문에 기존 이미징 방법을 사용하면 이미지 대비가 좋지 않습니다.
이 낮은 이미지 대비는 예를 들어 화학적 얼룩이나 형광 태그를 사용하여 극복할 수 있습니다. 그러나 이러한 외부 라벨링 또는 염색 방법은 종종 지루하고 비용이 많이 들고 독성 화학 물질을 포함합니다. QPI( Quantitative Phase Imaging)는 광학 검사 및 다양한 약하게 산란되는 투명한 위상 물체 감지를 위한 강력한 레이블 없는 접근 방식으로 등장했습니다. 지난 수십 년 동안 다양한 간섭 측정에서 물체의 위상 이미지를 복구하기 위해 컴퓨터에서 실행되는 이미지 재구성 알고리즘을 기반으로 하는 정량적 위상 이미징을 위한 수많은 디지털 방법이 개발되었습니다.
GPU(그래픽 처리 장치)로 구동되는 이러한 디지털 QPI 기술은 특히 병리학, 세포 생물학, 면역학, 암 연구 를 비롯한 다양한 응용 분야에서 사용되었습니다. UCLA(University of California, Los Angeles)의 전기 및 컴퓨터 공학부의 Aydogan Ozcan 교수와 CNSI(California NanoSystems Institute)가 이끄는 광학 엔지니어 팀이 Advanced Optical Materials 에 발표한 새로운 연구 논문 에서 QPI 시스템에서 사용되는 디지털 이미지 재구성 알고리즘을 딥 러닝 을 사용하여 공간적으로 설계된 일련의 수동 광학 표면으로 대체하는 회절 광학 네트워크. 디지털 컴퓨터에서 강도 측정이나 홀로그램을 이용하여 위상 회복 단계를 수행하는 기존의 QPI 시스템과 달리 회절 QPI 네트워크는 물체 자체에서 발생하는 광파를 직접 처리하여 시료의 위상 정보를 빛으로 검색합니다. 회절 네트워크를 통해 전파됩니다.
따라서 전체 위상 회복 및 정량적 위상 이미징 프로세스는 조명 광을 제외한 외부 전원이 필요 없이 빛의 속도로 완료됩니다. 빛이 관심 대상과 상호 작용하고 공간적으로 설계된 수동 레이어를 통해 전파된 후 샘플의 복구된 위상 이미지가 회절 네트워크의 출력에 강도 이미지로 나타납니다. 이러한 결과는 회절을 통해 달성된 최초의 전광 위상 검색 및 위상-강도 변환을 구성합니다. UCLA 팀이 제시한 결과에 따르면 딥 러닝을 사용하여 훈련된 회절 QPI 네트워크는 통계적으로 훈련 이미지와 유사한 보이지 않는 새로운 위상 객체로 일반화할 수 있을 뿐만 아니라 공간 특징이 다른 완전히 새로운 유형의 객체로 일반화할 수 있습니다. 또한, 이러한 회절 QPI 네트워크는 입력 위상의 정량화가 가능한 조명 강도 또는 이미지 센서의 감지 효율 변화에 변하지 않도록 설계되었습니다.
연구팀은 또한 회절 QPI 네트워크가 회절 층의 기계적 오정렬에서도 정량적 위상 이미지 품질을 유지하도록 최적화될 수 있음을 보여주었습니다. UCLA 팀이 보고한 회절 QPI 네트워크는 뛰어난 계산 속도 외에도 빛 이 얇고 수동적인 회절 표면을 통과할 때 위상 복구 프로세스를 완료하여 전력 소비와 메모리 사용을 제거 하는 새로운 위상 이미징 개념을 나타냅니다. 디지털 QPI 시스템에 필요하며 잠재적으로 현미경 및 감지 분야의 다양한 새로운 애플리케이션을 위한 길을 열어줍니다.
추가 탐색 회절 광 네트워크는 디지털 컴퓨터 없이 즉시 홀로그램을 재구성합니다. 추가 정보: Deniz Mengu 외, 모든 광학 위상 복구: 정량적 위상 이미징을 위한 회절 컴퓨팅, 고급 광학 재료 (2022). DOI: 10.1002/adom.202200281 arxiv.org/abs/2201.08964 저널 정보: 고급 광학 재료 UCLA 공과대학 기술진흥원 제공
https://phys.org/news/2022-05-all-optical-phase-recovery-quantitative-imaging.html
.MCM molecules impede the formation of DNA loops
MCM 분자는 DNA 루프의 형성을 방해합니다
막스 플랑크 소사이어티 효율적인 포장을 위해 DNA가 루프에 배치됩니다. 코히신 링(핑크)은 루프의 기초를 형성합니다. 단백질 복합체 MCM(노란색)은 루프 형성을 제한합니다. 크레딧: 생화학 MPI, Monika Krause MAY 20, 2022
세포의 전체 게놈 물질은 한편으로는 조직화된 방식으로 저장될 수 있고 다른 한편으로는 다음과 같이 전사, 복제 또는 수리될 수 있는 방식으로 작은 세포 핵에 포장되어야 합니다. 필요. 서로 다른 단백질이 공간 절약형 포장을 담당하여 DNA를 감거나 고리를 만들 수 있습니다. Martinsried에 있는 막스 플랑크 생화학 연구소의 과학자 Kikuë Tachibana와 Karl Duderstadt는 이러한 분자 기계의 정확한 작업과 기능을 조사하고 있습니다.
그들은 MCM 복합체가 DNA 루프 형성을 제한하고 따라서 게놈의 3차원 구조와 유전자 조절에 중요한 역할을 한다는 것을 발견했습니다. DNA 분자의 길이는 약 2미터이며 여전히 작은 세포 핵에 포장되어야 합니다. 세포핵은 프린터에서 나오는 토너 입자나 미세한 먼지 입자 정도의 크기다. 어떻게 작동합니까? 어떻게 유전 정보 가 한편으로는 저장되고 포장되지만 다른 한편으로는 읽을 수 있습니까? 어떻게 루프에 넣습니까? 포장 및 포장 풀기는 빠르고 원활하게 실행되어야 하는 동적 프로세스이기도 합니다.
이제 막스 플랑크 생화학 연구소의 "전능성" 부서의 새로운 책임자인 Kikuë Tachibana와 그녀의 팀 은 DNA 복제 기능으로 잘 알려진 단백질 복합체 가 게놈 접힘에서 예상치 못한 역할을 한다는 것을 발견했습니다. "우리 연구소의 심포지엄에서 새로운 동료인 Karl Duderstadt와 나는 공통된 관심사를 공유하고 있음이 드러났습니다. 우리는 기계적인 수준에서 이러한 초기 관찰을 조사하기 위해 상호 보완적인 접근 방식을 사용하기 위해 힘을 합치기로 결정했습니다.
" Karl Duderstadt는 "분자 기계의 구조와 역학" 연구 그룹의 책임자입니다. 새로운 등급의 장벽 이 현재 연구에서 그들은 이제 미니염색체 유지(MCM) 복합체를 DNA 루프 형성의 새로운 종류의 장벽으로 공동으로 확인했습니다. 루프 압출이라고도 하는 DNA 루프 형성 과정에서 세 가지 단백질 또는 단백질 복합체가 주로 관련됩니다. 첫 번째는 코헤신, 두 번째는 징크 핑거 단백질 CTCF, 세 번째는 MCM 복합체입니다. Cohesin은 DNA에 결합하여 루프 형성을 시작합니다. Cohesin은 DNA를 감아 루프를 점진적으로 성장시킵니다. 루프 압출은 코헤신이 DNA 결합 단백질 CTCF를 만나면 멈춥니다.
이 단백질은 이 작업 이전에 유일하게 알려진 루프 압출 장벽이었습니다. 연구의 공동 제1저자인 Matthias Scherr는 "세부 사항은 다르지만 리본에 링을 놓고 고리에 리본을 끼워 넣는 것과 같다고 생각할 수 있습니다. 링은 고리의 바닥에 남아 있습니다."라고 말합니다.
Kikuë Tachibana는 다음과 같이 설명합니다. "척추동물에 특정한 장벽인 CTCF와 달리 MCM은 진핵생물과 고세균에 걸쳐 보존됩니다. 따라서 이것이 루프 압출에 대한 조상의 장벽일 수 있다는 점을 고려하는 것은 매력적입니다." 이 연구는 루프 압출 코헤신 복합체와 MCM 복합체의 만남이 다양한 유기체의 게놈 접힘을 구성하는 기본 메커니즘의 일부일 가능성을 높입니다. Karl Duderstadt는 다음과 같이 요약합니다. "우리의 발견은 광범위한 영역에서 전문 지식을 갖춘 놀라운 국제 팀의 구성을 통해서만 가능했습니다. 이 작업은 필드 사이에 다리를 놓을 때 가능한 것이 무엇인지에 대한 증거입니다. 나는 더 많은 놀라움이 있다고 확신합니다. 염색체 조직을 제어하는 상호작용 네트워크에 대해 더 깊이 탐구할 때 우리를 위해 준비되어 있습니다." 이 연구는 네이처 에 게재되었습니다 .
추가 탐색 게놈 루핑—코히신이 트릭을 수행하는 방법 추가 정보: Bart JH Dequeker et al, MCM 복합체는 코헤신 매개 루프 압출을 제한하는 장벽, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04730-0 저널 정보: 네이처 막스플랑크협회 제공
https://phys.org/news/2022-05-mcm-molecules-impede-formation-dna.html
.Long-hypothesized 'next generation wonder material' created for first time
오랜 가설 '차세대 경이 소재' 최초 탄생
Cay Leytham-Powell, 콜로라도 대학 볼더 그래핀 층의 결정 구조. 크레딧: Yiming Hu MAY 21, 2022
10년이 넘는 기간 동안 과학자들은 그래핀이라는 새로운 형태의 탄소를 합성하려고 시도했지만 제한된 성공을 거두었습니다. 그러나 콜로라도 볼더 대학의 새로운 연구 덕분에 그 노력은 이제 끝이 났습니다. 그래핀은 2010년에 노벨 물리학상을 수상한 연구를 통해 업계에서 높이 평가하는 또 다른 탄소 형태인 "경이로운 물질" 그래핀과의 유사성 때문에 과학자들에게 오랫동안 관심을 가져왔습니다. 그러나 수십 년의 연구와 노력에도 불구하고 이론상 지금까지 생성된 단편은 몇 개에 불과합니다.
지난주 Nature Synthesis 에 발표된 이 연구 는 탄소 재료 과학의 오랜 공백을 메우고 잠재적으로 전자, 광학 및 반도체 재료 연구에 새로운 가능성을 열어줍니다. 논문의 주저자이자 2022년 화학 박사 학위를 취득한 이밍 후(Yiming Hu)는 "전체 청중, 전체 분야는 이 오랜 문제, 또는 이 상상의 물질이 마침내 실현되고 있다는 사실에 정말 흥분하고 있습니다."라고 말했습니다. 과학자들은 산업에 대한 탄소의 유용성과 다양성 때문에 새롭고 새로운 탄소 동소체 또는 탄소 형태의 구성에 오랫동안 관심을 가져왔습니다.
sp2, sp3 및 sp 혼성화 탄소(또는 탄소 원자가 다른 요소에 결합할 수 있는 다른 방법) 및 해당 결합이 활용되는 방식에 따라 탄소 동소체를 구성할 수 있는 다양한 방법이 있습니다. 가장 잘 알려진 탄소 동소체는 흑연(연필 및 배터리와 같은 도구에 사용)과 다이아몬드로 각각 sp2 탄소와 sp3 탄소로 만들어집니다. 과학자들은 전통적인 화학 방법을 사용하여 수년에 걸쳐 풀러렌(이 발견으로 1996년 노벨 화학상을 수상함)과 그래핀을 포함한 다양한 동소체를 성공적으로 생성했습니다. 그러나 이러한 방법은 그래핀에 필요한 것과 같이 서로 다른 유형의 탄소가 어떤 종류의 대용량으로 함께 합성되는 것을 허용하지 않습니다.
그래핀은 고유한 전자 전도성, 기계적 및 광학적 특성을 갖는 것으로 추측되는 이론화된 물질을 남겼습니다. 그것을 유지하려면: 이론. 그러나 현장에 있는 사람들이 Wei Zhang의 연구실 그룹에 손을 뻗게 한 것도 비전통적인 사람에 대한 필요성 때문이었습니다. CU Boulder의 화학 교수인 Zhang은 가역 화학을 연구합니다. 이 화학은 결합이 자체 수정되도록 하여 합성 DNA 유사 중합체 와 같은 새로운 질서 구조 또는 격자 생성을 가능하게 하는 화학입니다 .
접근한 후 Zhang과 그의 연구실 그룹은 시도해 보기로 결정했습니다. 그래핀을 만드는 것은 "정말 오래되고 오래된 질문이지만 합성 도구가 제한적이기 때문에 관심이 떨어졌다"고 Ph.D. Zhang의 연구실 그룹의 학생이 논평했습니다. "우리는 문제를 다시 꺼내고 새로운 도구를 사용하여 정말 중요한 오래된 문제를 해결했습니다." 알킨 화학 결합(탄소- 탄소 삼중 공유 결합 이 하나 이상 있는 탄화수소 유형)의 재분배 또는 절단 및 개질을 수반하는 유기 반응인 알킨 복분해(alkyne metathesis)라는 과정과 열역학 및 동역학 제어 사용 , 그룹은 이전에 만들어지지 않은 것을 성공적으로 만들 수 있었습니다. 그래핀의 전도성과 경쟁할 수 있지만 제어가 가능한 물질입니다.
"그래핀과 그래핀 사이에는 꽤 큰 차이가 있지만 좋은 면에서"라고 Zhang이 말했습니다. "이것은 차세대 경이 소재가 될 수 있습니다. 그래서 사람들이 매우 흥분합니다." 재료가 성공적으로 생성되었지만 팀은 여전히 재료를 대규모로 생성하는 방법과 조작 방법을 포함하여 재료의 특정 세부 사항을 조사하기를 원합니다. Zhang은 다음 단계에 대해 "우리는 실험적으로나 이론적으로 원자 수준에서 실제 장치에 이르기까지 다차원에서 이 새로운 물질을 탐구하려고 정말로 노력하고 있습니다."라고 말했습니다. 이러한 노력은 차례로 재료의 전자 전도성 및 광학 특성 이 리튬 이온 배터리 와 같은 산업 응용 분야에 어떻게 사용될 수 있는지 파악하는 데 도움이 될 것 입니다.
Hu는 "미래에 비용을 낮추고 반응 절차를 단순화할 수 있기를 희망하며 사람들이 우리 연구의 혜택을 누릴 수 있기를 바랍니다"라고 말했습니다. Zhang의 경우 학제 간 팀의 지원 없이는 결코 달성할 수 없었을 것이며 "물리학 부서의 지원과 동료의 지원 없이는 이 작업을 수행할 수 없었을 것입니다."라고 덧붙였습니다.
추가 탐색 2차원 홀리 그래핀 합성 추가 정보: Yiming Hu et al, Synthesis of γ-graphyne using dynamic covalent chemistry, Nature Synthesis (2022). DOI: 10.1038/s44160-022-00068-7 콜로라도 대학교 볼더 제공
https://phys.org/news/2022-05-long-hypothesized-material.html
.시간과 공간에 대한 아주 기이한 해석
시간과 공간이 존재하지 않는 세상. 루프 이론(Loop Quantum Gravity)으로 바라본 세상에서는 우리가 알던 공간이란 없으며 심지어 시간조차 존재하지 않는다고 합니다.
루프 이론을 연구하는 카를로 로벨리의 세상은 우리가 보는 세상과 얼마나 다를까요? 과감하고 급진적인 그래서 기이하기까지 한 시공간의 세계로 들어가보겠습니다.
참고한 책: “만약 시간이 존재하지 않는다면” 카를로 로벨리 분량이 많지 않고 내용이 그렇게 어렵지 않아 날 잡으면 하루 만에 독파할 수 있는 책이었습니다. 시공간 이야기와 함께 저자의 성장기도 곁들여 에세이처럼 재밌게 읽었습니다. 양자중력과 루프이론에 대한 입문서로도 손색이 없습니다.
관련하여 더 세부적인 내용을 알고 싶으시면 로벨리의 전작 “보이는 세상은 실재가 아니다”까지 읽으면 좋을 듯합니다. 20세기 과학혁명의 산물이라는 '양자역학'과 '일반상대성이론'은 실험을 통해 확인됐지만, 두 이론이 세계를 서술하는 방식은 양립이 불가능하다.
'제2의 스티븐 호킹'으로 불리는 이탈리아의 물리학자인 저자는 두 이론을 포괄하는 통합이론에 관심을 두고 '양자중력'을 탐구하며 초끈이론을 대신할 새로운 '루프양자중력이론'을 수립하는 데 공을 들였다. 저자는 우주에는 그동안 우리가 알고 있던 공간이나 시간이 존재하지 않는다고 주장한다.
또 공간은 알갱이화된 중력장들의 연결망이고, 시간은 사건과 사건 간의 관계일 뿐이라고 말한다. 책은 시간이 존재하지 않는다면 세상과 우주를 어떻게 이해할 수 있을까, 과거와 현재 및 미래는 무엇으로 설명할 수 있을까 등 시간 없이 우주를 이해할 수 있는 새로운 시각에 대한 답을 찾아간다.
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