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.