A Light Twist

ENG: A scientist from the Faculty of Pure and Applied Sciences at the University of Tsukuba developed a method for producing electrically conductive polymers that assume a helical configuration. By using a liquid crystal as a template, he was able to produce optically active polymers that can convert light into a circular polarization. This approach may help lower the cost of smart displays.

Credit: Hiromasa Goto

Walking into an electronic store these days can be an overwhelming experience if you happen to wander into the television aisle. The sizes of TVs have significantly expanded in recent years, while the prices have dropped. This is mainly due to the adoption of organic light emitting devices (OLEDs), which are carbon-based polymers that can glow at tunable optical wavelengths. These conjugated polymers, which have alternating single and double bonds, are both electrically conductive, and have colors that can be controlled by chemical doping with other molecules. Their oxidation state can also be rapidly switched using an electric voltage, which affects their coloration. However, future advancement may require new materials that can take advantage of other kinds of optical properties, such as circular polarization.

Now, a researcher from the University of Tsukuba has introduced a technique for creating polymers locked into a helical configuration, using a sacrificial liquid crystal template. “Polymers that both have optical activity and luminescent function can emit circularly polarized light,” author Professor Hiromasa Goto says. For this process, the liquid crystal molecules were originally in a straight configuration. The addition of monomer molecules caused the liquid crystals to twist into a helical configuration. This imprints a “chirality” or handedness to the structure, making it oriented either clockwise or counterclockwise. An electric voltage was applied, which triggered polymerization of the monomers. The liquid crystal template was then removed, leaving a polymer frozen in a helical shape. By breaking the mirror symmetry, the polymer has the ability to convert linearly polarized light into a circular polarization. The furan rings in the polymer not only contribute to the electrical conductivity, they also help stabilize the helical structure. The resulting polymer was tested using circular dichroism absorption spectroscopy and was found to have strong optical activity at visible wavelengths. Future applications of this process may include cheaper and more energy efficient electronic displays.

RO: Un om de știință de la Facultatea de Științe Pure și Aplicate de la Universitatea din Tsukuba a dezvoltat o metodă de producere a polimerilor conductori de electricitate care au o configurație elicoidală. Utilizând un cristal lichid ca șablon, el a reușit să producă polimeri activi optic care pot converti lumina într-o polarizare circulară. Această abordare ar putea contribui la reducerea costului ecranelor inteligente.

Explorarea unui magazin de electronice în zilele noastre poate fi o experiență copleșitoare dacă se întâmplă să te rătăcești pe culoarul televizoarelor. Dimensiunile acostara au crescut semnificativ în ultimii ani, în timp ce prețurile au scăzut. Acest lucru se datorează, în principal, adoptării dispozitivelor organice emițătoare de lumină (OLED), care sunt polimeri pe bază de carbon care pot străluci la lungimi de undă optice reglabile. Acești polimeri conjugați, care au legături simple și duble alternante, sunt conductivi din punct de vedere electric și au culori care pot fi controlate prin dopaj chimic cu alte molecule. Starea lor de oxidare poate fi, de asemenea, schimbată rapid cu ajutorul unei tensiuni electrice, ceea ce le afectează culoarea. Cu toate acestea, progresele viitoare ar putea necesita noi materiale care pot profita de alte tipuri de proprietăți optice, cum ar fi polarizarea circulară.

Acum, un cercetător de la Universitatea din Tsukuba a introdus o tehnică de creare a polimerilor blocați într-o configurație elicoidală, folosind un șablon de cristal lichid. “Polimerii care au atât activitate optică, cât și funcție luminescentă pot emite lumină polarizată circular”, spune autorul, profesorul Hiromasa Goto. Pentru acest proces, moleculele de cristal lichid erau inițial într-o configurație dreaptă. Adăugarea moleculelor de monomer a făcut ca cristalele lichide să se răsucească într-o configurație elicoidală. Acest lucru imprimă o “chiralitate” sau o “mână” structurii, făcând-o orientată fie în sensul acelor de ceasornic, fie în sens invers. Apoi a fost aplicată o tensiune electrică, care a declanșat polimerizarea monomerilor. Șablonul de cristal lichid a fost îndepărtat, lăsând un polimer înghețat în formă elicoidală. Prin ruperea simetriei în oglindă, polimerul are capacitatea de a converti lumina polarizată liniar într-o polarizare circulară. Inelele de furan din polimer contribuie la conductivitatea electrică și ajută la stabilizarea structurii elicoidale. Polimerul rezultat a fost testat cu ajutorul spectroscopiei de absorbție prin dicroism circular și s-a constatat că are o activitate optică puternică la lungimi de undă vizibile. Aplicațiile viitoare ale acestui proces ar putea include ecrane electronice mai ieftine și mai eficiente din punct de vedere energetic.

Source (University of Tsukuba, “A Light Twist”, 08.06.2022)

Paper: Goto, H., 2022. Reaction field induction self-amplification optical activity during polymerization in liquid crystal. Molecular Crystals and Liquid Crystals, pp.1-14.

Waste wood chemically recycled to produce material stronger than steel

ENG: Wood is a hugely versatile material, but millions of tonnes go into landfill each year. To build a truly circular economy, wood will need to be re-used on a grander scale. A material made from recycled wood is five times stronger than natural wood and can be made from any timber by-product, including shavings and sawdust.

Credit: Magda Ehlers (Pexels)

Orlando Rojas at the University of British Columbia, Canada, and his colleagues have invented a process that dissolves lignin, a glue-like component inside plant cell walls, and exposes cellulose nanofibrils, which are tiny fibres also found in the plant cell wall. The method involves a solvent called dimethylacetamide, used in the presence of lithium chloride. When two pieces of wood treated in this way are brought together, the nanofibrils bind to create what the researchers call a “healed” piece of wood. Although this no longer looks like natural wood, it has better mechanical properties. Tests show it is more resistant to breaking than stainless steel or titanium alloys.

Not only can wood treated this way be re-used to create new objects, but the treatment process can be performed repeatedly on the same pieces of wood to extend their working lifetimes. Rojas and his team didn’t examine how much their method would cost if scaled up to an industrial level, but all of the techniques used are well-established.

RO: Lemnul este un material extrem de versatil, dar milioane de tone ajung la groapa de gunoi în fiecare an. Pentru a construi o economie cu adevărat circulară, lemnul va trebui reutilizat la scară mai mare. Un material fabricat din lemn reciclat este de cinci ori mai rezistent decât lemnul natural și poate fi obținut din orice subprodus din lemn, inclusiv din așchii și rumeguș.

Orlando Rojas de la Universitatea British Columbia, Canada, și colegii săi au inventat un proces care dizolvă lignina, o componentă asemănătoare lipiciului din interiorul pereților celulelor vegetale, și expune nanofibrele de celuloză, care se găsesc, de asemenea, în peretele celular al plantelor. Metoda implică un solvent numit dimetilacetamidă, utilizat în prezența clorurii de litiu. Atunci când două bucăți de lemn tratate în acest mod sunt aduse împreună, nanofibrele se leagă pentru a crea ceea ce cercetătorii numesc o bucată de lemn “vindecată”. Deși aceasta nu mai arată ca lemnul natural, are proprietăți mecanice mai bune. Testele arată că este mai rezistent la rupere decât oțelul inoxidabil sau aliajele de titan.

Nu numai că lemnul tratat în acest mod poate fi reutilizat pentru a crea noi obiecte, dar procesul de tratare poate fi efectuat în mod repetat pe aceleași bucăți de lemn pentru a le prelungi durata de viață utilă. Rojas și echipa sa nu au examinat cât ar costa metoda lor dacă ar fi extinsă la nivel industrial, dar toate tehnicile folosite sunt bine stabilite.

Source (Alex Wilkins, NewScientist, “Waste wood chemically recycled to produce material stronger than steel”, 19.05.2022)

Paper: Dong, X., Gan, W., Shang, Y., Tang, J., Wang, Y., Cao, Z., Xie, Y., Liu, J., Bai, L., Li, J. and Rojas, O.J., 2022. Low-value wood for sustainable high-performance structural materials. Nature Sustainability, pp.1-8.

Scientists identify neurons that drive competition and social behavior

ENG: New research in mice has identified neurons in the brain that influence competitive interactions between individuals and that play a critical role in shaping the social behavior of groups. Published in Nature by a team led by investigators at Massachusetts General Hospital (MGH), the findings will be useful not only for scientists interested in human interactions but also for those who study neurocognitive conditions such as autism spectrum disorder and schizophrenia that are characterized by altered social behavior.

“Social interactions in humans and animals occur most commonly in large groups, and these group interactions play a prominent role in sociology, ecology, psychology, economics and political science,” says lead author S. William Li, an MD/PhD student at MGH. “What processes in the brain drive the complex dynamic behavior of social groups remains poorly understood, in part because most neuroscience research thus far has focused on the behaviors of pairs of individuals interacting alone. Here, we were able to study the behavior of groups by developing a paradigm in which large cohorts of mice were wirelessly tracked across thousands of unique competitive group interactions.”

Li and his colleagues found that the animals’ social ranking in the group was closely linked to the results of competition, and by examining recordings from neurons in the brains of mice in real time, the team discovered that neurons in the anterior cingulate region of the brain store this social ranking information to inform upcoming decisions. Manipulating the activity of these neurons, on the other hand, could artificially increase or decrease an animal’s competitive effort and therefore control their ability to successfully compete against others. “In other words, we could tune up and down the animal’s competitive drive and do so selectively without affecting other aspects of their behavior such as simple speed or motivation,” says Williams.

The findings indicate that competitive success is not simply a product of an animal’s physical fitness or strength, but rather, is strongly influenced by signals in the brain that affect competitive drive.

RO: O nouă cercetare realizată pe șoareci a identificat neuronii din creier care influențează interacțiunile competitive între indivizi și care joacă un rol esențial în modelarea comportamentului social al grupurilor. Publicate în revista Nature de către o echipă condusă de cercetători de la Massachusetts General Hospital (MGH), descoperirile vor fi utile nu numai pentru oamenii de știință interesați de interacțiunile umane, ci și pentru cei care studiază afecțiuni neurocognitive precum tulburarea de spectru autist și schizofrenia, care se caracterizează prin alterarea comportamentului social.

“Interacțiunile sociale la oameni și la animale au loc cel mai frecvent în grupuri mari, iar acestea joacă un rol important în sociologie, ecologie, psihologie, economie și științe politice”, spune autorul principal S. William Li, un student la doctorat la MGH. “Nu este clar care procese din creier determină comportamentul dinamic complex al grupurilor sociale, în parte pentru că majoritatea cercetărilor din domeniul neuroștiințelor de până acum s-au concentrat pe comportamentele perechilor de indivizi care interacționează. Aici, am reușit să studiem comportamentul grupurilor dezvoltând o paradigmă în care cohorte mari de șoareci au fost urmărite de-a lungul a mii de interacțiuni competitive unice în grup.”

Li și colegii săi au descoperit că în cadrul grupului, clasamentul social al animalelor era strâns legat de rezultatele competiției. Prin examinarea înregistrărilor de la neuronii din creierul șoarecilor în timp real, echipa a descoperit că neuronii din regiunea cingulară anterioară a creierului stochează informații privind clasamentul social pentru a informa deciziile viitoare. Manipularea activității acestor neuroni, pe de altă parte, ar putea crește sau diminua în mod artificial efortul competitiv al unui animal și, prin urmare, ar putea controla capacitatea acestuia de a concura cu succes împotriva altora. “Cu alte cuvinte, am putea regla în sus și în jos efortul competitiv al animalului și să facem acest lucru în mod selectiv, fără a afecta alte aspecte ale comportamentului lor, cum ar fi viteza sau motivația”, spune Williams.

Descoperirile indică faptul că succesul competitiv nu este pur și simplu un produs al aptitudinii fizice sau al forței unui animal, ci, mai degrabă, este puternic influențat de semnalele din creier care afectează impulsul competitiv.

Source (Massachusetts General Hospital, “Scientists identify neurons that drive competition and social behavior”, 16.03.2022)

Paper: Li, S.W., Zeliger, O., Strahs, L., Báez-Mendoza, R., Johnson, L.M., McDonald Wojciechowski, A. and Williams, Z.M., 2022. Frontal neurons driving competitive behaviour and ecology of social groups. Nature603(7902), pp.661-666.

Neptune is cooler than we thought: Study reveals unexpected changes in atmospheric temperatures

ENG: An international team of researchers, including scientists from Leicester and NASA’s Jet Propulsion Laboratory (JPL), combined all existing thermal infrared images of Neptune gathered from multiple observatories over almost two decades. These include the European Southern Observatory’s Very Large Telescope and Gemini South telescope in Chile, together with the Subaru Telescope, Keck Telescope, and the Gemini North telescope, all in Hawaii, and spectra from NASA’s Spitzer Space Telescope.

Credit: Michael Roman/NASA/JPL/Voyager-ISS/Justin Cowart

By analysing the data, the researchers were able to reveal a more complete picture of trends in Neptune’s temperatures than ever before. But to the researchers’ surprise, these collective datasets show a decline in Neptune’s thermal brightness since reliable thermal imaging began in 2003, indicating that globally-averaged temperatures in Neptune’s stratosphere – the layer of the atmosphere just above its active weather layer – have dropped by roughly 8 degrees Celsius between 2003 and 2018.

Neptune has an axial tilt, and so it experiences seasons, just like Earth. However, given its great distance from the Sun, Neptune takes over 165 years to complete an orbit around its host star, and so its seasons change slowly, lasting over 40 Earth-years each. At Neptune’s south pole, the data reveal a different and surprisingly dramatic change. A combination of observations from Gemini North in 2019 and Subaru in 2020 reveal that Neptune’s polar stratosphere warmed by roughly 11˚C between 2018 and 2020, reversing the previous globally-averaged cooling trend. Such polar warming has never been observed on Neptune before.

The cause of these unexpected stratospheric temperature changes is currently unknown, and the results challenge scientists’ understanding of Neptune’s atmospheric variability. The 11-year solar cycle (marked by periodic variation in the Sun’s activity and sunspots) has been previously suggested to affect Neptune’s visible brightness, and the new study reveals a possible, but tentative, correlation between the solar activity, stratospheric temperatures, and the number of bright clouds seen on Neptune. Follow-up observations of the temperature and cloud patterns are needed to further assess any possible connection in the years ahead. Answers to these mysteries and more will come from the James Webb Space Telescope (JWST), which is set to observe both ice giants, Uranus and Neptune, later this year.

RO: O echipă internațională de cercetători, printre care se numără oameni de știință de la Leicester și de la Jet Propulsion Laboratory al NASA, a combinat toate imaginile în infraroșu termic existente ale lui Neptun, colectate de mai multe observatoare de-a lungul a aproape două decenii. Printre acestea se numără Very Large Telescope al Observatorului European de Sud și telescopul Gemini South din Chile, împreună cu telescopul Subaru, telescopul Keck și telescopul Gemini North, toate din Hawaii, precum și spectrele de la telescopul spațial Spitzer al NASA.

Analizând datele, cercetătorii au reușit să dezvăluie o imagine mai completă a tendințelor temperaturilor de pe Neptun. Însă, spre surprinderea cercetătorilor, aceste seturi de date colective arată un declin al luminozității termice din 2003, de când au început să se obțină imagini termice fiabile, indicând că temperaturile medii globale din stratosfera lui Neptun – stratul atmosferei aflat chiar deasupra stratului activ al vremii – au scăzut cu aproximativ 8 grade Celsius între 2003 și 2018.

Neptun are o înclinație axială și, prin urmare, cunoaște anotimpuri, la fel ca și Pământul. Cu toate acestea, având în vedere distanța mare față de Soare, Neptun are nevoie de peste 165 de ani pentru a completa o orbită în jurul stelei sale gazdă, astfel că anotimpurile sale se schimbă lent, durând peste 40 de ani-pământeni fiecare. La polul sud al lui Neptun, datele dezvăluie o schimbare diferită și surprinzător de dramatică. O combinație de observații de la Gemini North în 2019 și de la Subaru în 2020 arată că stratosfera polară a lui Neptun s-a încălzit cu aproximativ 11˚C între 2018 și 2020, inversând tendința anterioară de răcire medie la nivel global. O astfel de încălzire polară nu a mai fost observată până acum pe Neptun.

Cauza acestor schimbări neașteptate ale temperaturii stratosferice este în prezent necunoscută, iar rezultatele pun la îndoială înțelegerea oamenilor de știință cu privire la variabilitatea atmosferică de pe Neptun. S-a sugerat anterior că ciclul solar de 11 ani (marcat de variația periodică a activității Soarelui și a petelor solare) afectează luminozitatea vizibilă a lui Neptun, iar noul studiu dezvăluie o corelație posibilă, dar scăzută, între activitatea solară, temperaturile stratosferice și numărul de nori luminoși observați pe Neptun. Sunt necesare observații ulterioare ale temperaturilor și ale modelelor de nori pentru a evalua în continuare orice posibilă legătură. Răspunsurile la aceste mistere și nu numai vor veni de la Telescopul spațial James Webb, care urmează să observe ambii giganți de gheață, Uranus și Neptun, în cursul acestui an.

Source (University of Leicester, “Neptune is cooler than we thought: Study reveals unexpected changes in atmospheric temperatures”, 11.04.2022)

Paper: Roman, M.T., Fletcher, L.N., Orton, G.S., Greathouse, T.K., Moses, J.I., Rowe-Gurney, N., Irwin, P.G., Antuñano, A., Sinclair, J., Kasaba, Y. and Fujiyoshi, T., 2022. Subseasonal Variation in Neptune’s Mid-infrared Emission. The Planetary Science Journal3(4), p.78.

New models assess bridge support repairs after earthquakes

ENG: Steel-reinforced concrete columns that support many of the world’s bridges are designed to withstand earthquakes, but always require inspection and often repair once the shaking is over. These repairs usually involve replacing loose concrete and fractured steel bars and adding extra materials around the damaged area to further strengthen it against future loads.

Credit: Mohammad Salehi/Rice University

Engineers at Rice University’s George R. Brown School of Engineering and Texas A&M University have developed an innovative computational modeling strategy to make planning these repairs more effective. The study by Rice postdoctoral research associate Mohammad Salehi and civil and environmental engineers Reginald DesRoches of Rice and Petros Sideris of Texas A&M appears in the journal Engineering Structures.

Their models simulate how columns are likely to respond globally (in terms of base shear and lateral displacement) and locally (with stress and strain) in future earthquakes when using various repair methods. They also predict the effects of slipping and buckling of reinforcement bars on the columns’ strength and ductility before and after repair.

The concrete and steel in reinforced columns are represented in the models by “fiber” elements. The models predict how they will respond to arbitrary loading considering the nonlinear stress-strain behaviors of columns and repair materials. After initial loading to simulate a certain level of damage, the models allow engineers to manipulate the model’s fibers and analyze the performance of repaired columns under seismic loads.

RO: Stâlpii din beton armat cu oțel care susțin multe dintre podurile din lume sunt proiectați să reziste la cutremure, dar necesită întotdeauna inspecții și adesea reparații după ce seismul a trecut. Aceste reparații implică, de obicei, înlocuirea betonului slăbit și a barelor de oțel fracturate și adăugarea de materiale suplimentare în jurul zonei deteriorate pentru a o consolida și mai mult împotriva sarcinilor viitoare.

Inginerii de la Școala de Inginerie George R. Brown a Universității Rice și de la Universitatea Texas A&M au dezvoltat o strategie inovatoare de modelare computațională pentru a face mai eficientă planificarea acestor reparații. Studiul realizat de Mohammad Salehi, cercetător asociat postdoctoral la Rice, și de inginerii civili și de mediu Reginald DesRoches de la Rice și Petros Sideris de la Texas A&M apare în revista Engineering Structures.

Modelele lor simulează modul în care este probabil ca aceste coloane să răspundă la nivel global (în ceea ce privește forfecarea bazei și deplasarea laterală) și local (cu tensiuni și deformații) în cutremurele viitoare, atunci când se folosesc diferite metode de reparare. De asemenea, acestea prezic efectele alunecării și flambajului barelor de armătură asupra rezistenței și ductilității coloanelor înainte și după reparații.

Betonul și oțelul din coloanele armate sunt reprezentate în modele prin elemente de “fibre”. Modelele prezic modul în care acestea vor răspunde la o încărcare arbitrară, luând în considerare comportamentele neliniare de tensiune-deformare ale coloanelor și ale materialelor de reparare. După încărcarea inițială pentru a simula un anumit nivel de deteriorare, modelele permit inginerilor să manipuleze fibrele modelului și să analizeze performanța coloanelor reparate sub sarcini seismice.

Source (Rice University, New models assess bridge support repairs after earthquakes, 18.01.2022)