A sustainable battery with a biodegradable electrolyte made from crab shells

ENG: Accelerating demand for renewable energy and electric vehicles is sparking a high demand for the batteries that store generated energy and power engines. But the batteries behind these sustainability solutions aren’t always sustainable themselves. In a paper published 1 in the journal Matter, scientists create a zinc battery with a biodegradable electrolyte from an unexpected source – crab shells.

Credit: Cell Press

Batteries use an electrolyte to shuttle ions back and forth between positively and negatively charged terminals. An electrolyte can be a liquid, paste, or gel, and many batteries use flammable or corrosive chemicals for this function. This new battery, which could store power from large-scale wind and solar sources, uses a gel electrolyte made from a biological material called chitosan.

A biodegradable electrolyte means that about two-thirds of the battery could be broken down by microbes – this chitosan electrolyte broke down completely within five months. This leaves behind the metal component, in this case zinc, rather than lead or lithium, which could be recycled.

RO: Cererea accelerată de energie regenerabilă și de vehicule electrice generează o cerere mare de baterii care stochează energia generată și alimentează motoarele. Dar bateriile care stau la baza acestor soluții de sustenabilitate nu sunt întotdeauna sustenabile. Într-o lucrare publicată în revista Matter, oamenii de știință creează o baterie de zinc cu un electrolit biodegradabil dintr-o sursă neașteptată, cum ar fi carapacea de crab.

Bateriile utilizează un electrolit pentru a face transferul ionilor înainte și înapoi între bornele încărcate pozitiv și negativ. Un electrolit poate fi un lichid, o pastă sau un gel, iar multe baterii folosesc substanțe chimice inflamabile sau corozive pentru această funcție. Această nouă baterie, care ar putea stoca energie din surse eoliene și solare la scară largă, utilizează un electrolit gel realizat dintr-un material biologic numit chitosan.

Un electrolit biodegradabil înseamnă că aproximativ două treimi din baterie ar putea fi descompusă de microbi – acest electrolit de chitosan s-a descompus complet în cinci luni. Acesta lasă în urmă componenta metalică, în acest caz zinc, mai degrabă decât plumb sau litiu, care ar putea fi reciclat.

Source (Cell Press. “A sustainable battery with a biodegradable electrolyte made from crab shells.” ScienceDaily. ScienceDaily, 1 September 2022.)

Paper: Wu, M., Zhang, Y., Xu, L., Yang, C., Hong, M., Cui, M., Clifford, B.C., He, S., Jing, S., Yao, Y. and Hu, L., 2022. A sustainable chitosan-zinc electrolyte for high-rate zinc-metal batteries. Matter.

2022 Seoul International Fireworks Festival

ENG: Hanwha Group is a large business conglomerate in South Korea, founded in 1952 as Korea Explosives Co. The group has grown into a large multi-profile business conglomerate, with diversified holdings like chemicals and materials, construction, financial services, leisure and lifestyle, and e-sports.

The Seoul International Fireworks Festival is one of Hanwha’s key corporate social responsibility activities that began in 2000. This is a jointly organized event by the Hanwha Group and Seoul Broadcasting System (SBS) and sponsored by the city of Seoul and the Korea Creative Content Agency. The show has wowed over a million spectators every year, providing an unforgettable autumn evening of memories for families, couples and friends.

This year’s fireworks festival took place on 8th October, and featured three teams from Japan, Italy and Korea, under the theme “We hope again”, spreading the message of encouragement to everyone who had gone through a tough time due to COVID-19.

You can enjoy the atmosphere and fireworks show from Seoul Walker’s video.

Credit: Seoul Walker

RO: Hanwha Group este un mare conglomerat de afaceri din Coreea de Sud, fondat în 1952 sub numele de Korea Explosives Co. În prezent are un profil variat de afaceri, precum produse chimice și materiale, construcții, servicii financiare, agrement și stil de viață și sporturi electronice.

Festivalul Internațional de Focuri de Artificii de la Seul este una dintre principalele activități de responsabilitate socială corporativă ale Hanwha, care a început în anul 2000. Acesta este un eveniment organizat în comun de Grupul Hanwha și Seoul Broadcasting System (SBS) și sponsorizat de orașul Seul și de Korea Creative Content Agency. Spectacolul a încântat peste un milion de spectatori în fiecare an, oferind o seară de toamnă de neuitat pentru familii, cupluri și prieteni.

Festivalul de focuri de artificii din acest an a avut loc pe 8 octombrie, în cadrul căruia trei echipe din Japonia, Italia și Coreea au prezentat spectacole cu tema “Sperăm din nou”, răspândind un mesaj de încurajare pentru toți cei care au trecut prin momente dificile din cauza COVID-19.

Vă puteți bucura de atmosfera și de spectacolul de focuri de artificii din videoclipul lui Seoul Walker.

Source (The 2022 Seoul International Fireworks Festival Hosted by Hanwha Group)

When making a detour is faster

ENG: Autonomous optimal navigation of microswimmers is in fact possible, as researchers from the Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization showed. In contrast to the targeted navigation of boats, the motion of swimmers at the microscale is strongly disturbed by fluctuations. The researchers now described a navigation strategy for microswimmers that does not need an external interpreter. Their findings may contribute to the understanding of transport mechanisms in the microcosm as well as to applications such as targeted drug delivery.

Credit: Max Planck Institute

Whereas the shortest way between two points is a straight connection, it might not be the most efficient path to follow. Complex currents often affect the motion of microswimmers and make it difficult for them to reach their destination. At the same time, making use of these currents to navigate as fast as possible is a certain evolutionary advantage. Whereas such strategies allow biological microswimmers to better access food or escape a predator, microrobots could this way be directed to perform specific tasks.

The optimal path in a given current can readily be determined mathematically, yet fluctuations perturb the motion of microswimmers and deviate them from the optimal route. Thus, they have to readjust their motion in order to account for environmental changes. This typically requires the help of an external interpreter and takes away their autonomy.

When an external interpreter defines the navigation pattern, microswimmers on average follow a well-defined path. Thus, it is a good approach to guide the microswimmer along that path within the current. This can be achieved autonomously via external stimuli, despite the presence of fluctuations. This principle could be applied to swimmers that respond to variation of light, such as certain algae, in which case the optimal path can simply be illuminated. Remarkably, the resulting performances are comparable to externally supervised navigation.

RO: Navigația autonomă optimă a microînotătorilor este posibilă, după cum au demonstrat cercetătorii de la Institutul Max Planck pentru dinamică și autoorganizare. Spre deosebire de navigația pe un traseu a bărcilor, mișcarea înotătorilor la microscală este puternic perturbată de fluctuații. Cercetătorii au descris acum o strategie de navigație pentru microînotători care nu are nevoie de un interpret extern. Descoperirile lor ar putea contribui la înțelegerea mecanismelor de transport în microcosmos, precum și la aplicații precum livrarea direcționată de medicamente.

Cea mai scurtă cale între două puncte este o conexiune dreaptă s-ar putea să nu fie cea mai eficientă cale de urmat. Curenții complecși afectează deseori mișcarea microînotătorilor și le îngreunează sosirea la destinație. În același timp, utilizarea acestor curenți pentru a naviga cât mai repede posibil reprezintă un anumit avantaj evolutiv. În timp ce astfel de strategii permit microînotătorilor biologici să acceseze mai bine hrana sau să scape de un prădător, microroboții ar putea fi astfel direcționați pentru a îndeplini sarcini specifice.

Calea optimă într-un anumit curent poate fi ușor determinată matematic, însă fluctuațiile perturbă mișcarea microînotătorilor și îi abat de la traseul optim. Astfel, aceștia trebuie să își reajusteze mișcarea pentru a ține cont de schimbările din mediul înconjurător. Acest lucru necesită, de obicei, ajutorul unui interpret extern și le răpește autonomia.

Atunci când un interpret extern definește modelul de navigație, microînotătorii urmează în medie un traseu bine definit. Acest lucru poate fi realizat în mod autonom prin stimuli externi, în ciuda prezenței fluctuațiilor. Acest principiu ar putea fi aplicat în cazul înotătorilor care răspund la variația luminii, cum ar fi anumite alge, caz în care calea optimă poate fi pur și simplu iluminată. În mod remarcabil, performanțele rezultate sunt comparabile cu cele ale navigației supravegheate din exterior.

Source (Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization, “When making a detour is faster”, 07.10.2022)

Paper: Piro, L., Mahault, B. and Golestanian, R., 2022. Optimal navigation of microswimmers in complex and noisy environments. arXiv preprint arXiv:2204.01116.

Upgrading your Computer to Quantum

ENG: The processes used to manufacture conventional silicon microprocessors have matured over decades and are constantly being refined and improved. In contrast, most quantum computing architectures must be designed mostly from scratch. However, finding a way to add quantum capabilities to existing fabrication lines, or even integrate quantum and conventional logic units in a single chip, might be able to vastly accelerate the adoption of these new systems.

Credit: The University of Tokyo

Now, a team of researchers at the Institute of Industrial Science at The University of Tokyo have shown how thin films of niobium nitride (NbNx) can be grown directly on top of an aluminum nitride (AlN) layer. Niobium nitride can become superconducting at temperatures colder than about 16 degrees above absolute zero. As a result, it can be used to make a superconducting qubit when arranged in a structure called a Josephson junction. The scientists investigated the impact of temperature on the crystal structures and electrical properties of NbNx thin films grown on AlN template substrates. They showed that the spacing of atoms in the two materials was compatible enough to produce flat layers.

The crystallinity of the NbNx was characterized with X-ray diffraction, and the surface topology was captured using atomic force microscopy. In addition, the chemical composition was checked using X-ray photoelectron spectroscopy. The team showed how the arrangement of atoms, nitrogen content, and electrical conductivity all depended on the growth conditions, especially the temperature. Moreover, the sharply defined interface between the AlN substrate, which has a wide bandgap, and NbNx, which is a superconductor, is essential for future quantum devices, such as Josephson junctions. Superconducting layers that are only a few nanometers thick and high crystallinity can be used as detectors of single photons or electrons.

RO: Procesele utilizate pentru fabricarea microprocesoarelor convenționale din siliciu s-au maturizat de-a lungul deceniilor, fiind în mod constant perfecționate și îmbunătățite. În schimb, majoritatea arhitecturilor de calcul cuantic trebuie proiectate în mare parte de la zero. Cu toate acestea, găsirea unei modalități de a adăuga capacități cuantice la liniile de fabricație existente sau chiar de a integra unități logice cuantice și convenționale într-un singur cip ar putea accelera foarte mult adoptarea acestor noi sisteme.

O echipă de cercetători de la Institutul de Științe Industriale de la Universitatea din Tokyo a demonstrat cum pot fi cultivate filme subțiri de nitrură de niobiu (NbNx) direct peste un strat de nitrură de aluminiu (AlN). Nitrura de niobiu poate deveni supraconductoare la temperaturi mai scăzute de aproximativ 16 grade peste zero absolut. Prin urmare, poate fi folosită pentru a realiza un qubit supraconductor atunci când este dispusă într-o structură numită joncțiune Josephson. Cercetătorii au investigat impactul temperaturii asupra structurilor cristaline și a proprietăților electrice ale filmelor subțiri de NbNx crescute pe substraturi șablon AlN. Ei au arătat că spațierea atomilor din cele două materiale era suficient de compatibilă pentru a produce straturi plate.

Cristalinitatea NbNx a fost caracterizată prin difracție de raze X, iar topologia suprafeței a fost captată cu ajutorul microscopiei de forță atomică. În plus, compoziția chimică a fost verificată cu ajutorul spectroscopiei fotoelectronice cu raze X. Echipa a arătat cum aranjamentul atomilor, conținutul de azot și conductivitatea electrică au depins de condițiile de creștere, în special de temperatură. În plus, interfața bine definită între substratul AlN, care are o bandă interzisă largă, și NbNx, care este un supraconductor, este esențială pentru viitoarele dispozitive cuantice, cum ar fi joncțiunile Josephson. Straturile supraconductoare care au o grosime de numai câțiva nanometri și o cristalinitate ridicată pot fi utilizate ca detectoare de fotoni sau electroni unici.

Source (Institute of Industrial Science, The University of Tokyo, “Upgrading your Computer to Quantum”, 22.09.2022)

Paper: Kobayashi, A., Kihira, S., Takeda, T., Kobayashi, M., Harada, T., Ueno, K. and Fujioka, H., 2022. Crystal‐Phase Controlled Epitaxial Growth of NbNx Superconductors on Wide‐Bandgap AlN Semiconductors. Advanced Materials Interfaces, p.2201244.

Machine learning generates 3D model from 2D pictures

ENG: Researchers from the McKelvey School of Engineering at Washington University in St. Louis have developed a machine learning algorithm that can create a continuous 3D model of cells from a partial set of 2D images that were taken using the same standard microscopy tools found in many labs today. The key to this work was the use of a neural field network, a particular kind of machine learning system that learns a mapping from spatial coordinates to the corresponding physical quantities. When the training is complete, researchers can point to any coordinate and the model can provide the image value at that location.

A particular strength of neural field networks is that they do not need to be trained on copious amounts of similar data. Instead, as long as there is a sufficient number of 2D images of the sample, the network can represent it in its entirety, inside and out. The image used to train the network is just like any other microscopy image. In essence, a cell is lit from below; the light travels through it and is captured on the other side, creating an image. This is done by feeding the model information about a point in the sample where the image captured some of the internal structure of the cell.

Then the network takes its best shot at recreating that structure. If the output is wrong, the network is tweaked. If it’s correct, that pathway is reinforced. Once the predictions match real-world measurements, the network is ready to fill in parts of the cell that were not captured by the original 2D images.

RO: Cercetătorii de la Școala de Inginerie McKelvey de la Universitatea Washington din St. Louis au dezvoltat un algoritm de învățare automată care poate crea un model 3D continuu al celulelor dintr-un set parțial de imagini 2D care au fost realizate cu ajutorul acelorași instrumente standard de microscopie care se găsesc în prezent în multe laboratoare. Cheia acestei lucrări a fost utilizarea unei rețele de câmpuri neuronale, un tip special de sistem care învață o corespondență de la coordonatele spațiale la cantitățile fizice corespunzătoare. Când antrenamentul este complet, cercetătorii pot indica orice coordonată, iar modelul poate furniza valoarea imaginii în acea locație.

Un punct forte al rețelelor de câmp neuronal este faptul că nu este nevoie să fie antrenate pe cantități mari de date similare. În schimb, atâta timp cât există un număr suficient de imagini 2D ale eșantionului, rețeaua îl poate reprezenta în întregime, în interior și în exterior. Imaginea utilizată pentru a antrena rețeaua este la fel ca orice altă imagine microscopică. În esență, o celulă este luminată de jos; lumina trece prin ea și este captată pe partea cealaltă, creând o imagine. Acest lucru se face prin alimentarea modelului cu informații despre un punct din eșantion în care imaginea a capturat o parte din structura internă a celulei.

Apoi, rețeaua încearcă să recreeze cât mai bine acea structură. În cazul în care rezultatul este greșit, rețeaua este ajustată. Dacă este corect, acea cale este consolidată. Odată ce predicțiile corespund măsurătorilor din lumea reală, rețeaua este pregătită să completeze părțile celulei care nu au fost surprinse de imaginile 2D originale.

Source (The Source, Washington University in St. Louis, “Machine learning generates 3D model from 2D pictures”, 19.09.2022)

Paper: Liu, R., Sun, Y., Zhu, J., Tian, L. and Kamilov, U.S., 2022. Recovery of continuous 3D refractive index maps from discrete intensity-only measurements using neural fields. Nature Machine Intelligence, pp.1-11.