Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Блог компании ua-hosting.company

Макраме из света шифрование данных на оптических узлах

21.10.2020 10:10:51 | Автор: admin


Научные изыскания позволяют нам не только лучше понимать окружающий наш мир, но и контролировать некоторые процессы и явления. За долгие годы исследований и экспериментов мы научились менять свойства материалов, манипулировать электромагнитными полями, видеть далекие планеты и звезды, разбирать по кирпичикам клетки и многое другое. Некоторые новообретенные умения сильно удивили бы ученых прошлого. Одним из таких умений является возможность менять форму луча света. Но как это применить на практике? Ученые из Оттавского университета (Оттава, США) предложили создать обрамленный оптический узел, который можно использовать для хранения и кодирования информации. Как ученые завязывали луч света в узел, каковы свойства такой структуры и насколько безопасно хранить данные на оптических узлах? На эти и другие вопросы мы найдем ответы в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Любой моряк, дайвер или альпинист скажет, что правильный узел может спасти жизнь. Мастера макраме превратили узлы в настоящее искусство. А тайна наушников, самостоятельно запутывающихся в узлы, до сих пор остается не раскрыта.

Как мы прекрасно знаем, любой объект или процесс поддается математическому описанию, и узлы не исключение. С точки зрения математики, узел это вложение окружности в трехмерное евклидово пространство.


Типы простых узлов.

Математическая классификация узлов достаточно обширна (трилистник, печать Соломона, узел Листинга и т.д.). В данном же исследовании был задействован особый вид узлов обрамленный. Такой узел создается из плоской ленты. Грубо говоря, это своего рода запутанная лента Мебиуса.

Вторым компонентом исследования, естественно, был свет, а именно структурированный свет, представляющий собой оптическое поле с определенными пространственными и временными особенностями, которые можно менять. Как напоминают ученые, создание таких структур в основном опирается на концепции, связанные с сингулярной оптикой, т.е. изучение неоднородностей в оптических волновых полях. Неоднородности, которые можно найти в оптических фазах или в поляризации, именуются оптическими сингулярностями. Их можно использовать для создания оптических лучей разной сложности: от лучей с единственной сингулярностью до волновых полей, образующих топологические полосы и узлы.

К числу последних как раз и относится ранее упомянутая лента Мебиуса, а также разные типы узлов. Проблема в том, что подобные структуры часто рассматриваются как двумерные, нежели трехмерные, т.е. как оптические лучи с единственной сингулярностью.

В рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые решили исправить этот недочет, экспериментально продемонстрировав генерацию и работу структур в волновых полях оптической поляризации, образующих обрамленные узлы. Кроме того, созданные узлы были использованы для кодирования топологической информации посредством совместного использования факторизации простых чисел и собственных топологических инвариантов узлов.

Создание оптического обрамленного узла


Узел, как мы уже знаем, это описание того, как запутанные нити/линии/полосы расположены в пространстве. По этой причине при анализе в рамках физической структуры узлы обычно обнаруживаются в полях, определяемых областями, которые однозначно образуют кривые в трехмерном пространстве. Такие узловые кривые были продемонстрированы в таких системах, как вихри в жидкостях, нули интенсивности в скалярных оптических полях и в пределах C-линий оптических полей поляризации.

C-линии, в частности, состоят из кривых чистой круговой поляризации в монохроматических электромагнитных полях. Одна из их самых отличительных особенностей связана со структурой поляризационного поля в непосредственной близости от них. Если точнее, то они заключены в поляризационные эллипсы с большой осью, которая вращается на целые числа, кратные , вдоль замкнутого контура, окружающего C-линию ( и 1d).


Изображение 1

В случае параксиальных* оптических лучей поляризация ограничивается плоскостью, поперечной распространению луча, например плоскостью xy.
Параксиальный луч* луч, который распространяется вдоль оси центрированной оптической системы.
Как показано на , это ограничение уменьшает плоскость, в которой можно проследить вращение оси поляризации. Однако непараксиальные лучи могут иметь векторы поляризации, нормаль которых не перпендикулярна распространению луча. Как показано на 1b, этот нормальный вектор, в свою очередь, определяет плоскость, в которой ось эллипса совершает половину оборота вокруг C-линии.

Наличие этих вращений является ключевой структурной особенностью, рассматриваемой при определении исследуемых обрамленных узлов.

Обрамленный узел в трехмерном пространстве представляет собой узел, оснащенный векторным полем, называемым обрамлением. Обрамление нигде не касается узла и характеризуется коэффициентом зацепления. Другими словами, оно считает, сколько раз векторное поле поворачивается (на 2 поворотов) вокруг узла. Узловые ленты обобщают обрамленные узлы до нечетного числа полу-скручиваний, например, узловые ленты Мебиуса.

Учитывая приведенное выше определение, обрамление замкнутой C-линии было определено осью соседнего эллипса поляризации, которого идет перпендикулярно касательной к C-линии.

Данная концепция проиллюстрирована на и 1b, где разными цветами отмечены эллипсы поляризации, окружающие C-линию, ось которой перпендикулярна ее касательной, что и определяет ее обрамление.

В редком случае, когда все оси перпендикулярны в определенной точке C-линии, вектор поляризации, определяющий обрамление, можно интерпретировать как тот, который обеспечивает его непрерывность с наименьшим количеством скручиваний. Эта концепция, в свою очередь, определяет обрамление, приписываемое узловой С-линии.

На показано, что это можно реализовать посредством узлового поля Ek, определяемого циркулярно поляризованной составляющей (Ek-) с узловыми фазовыми сингулярностями и продольно поляризованной составляющей (Ekz), гарантирующей, что Ek соответствует уравнениям Максвелла.

Путем наложения Ek на плоскую волну с противоположной спиральностью поляризации (Ep+) создаются узловые C-линии, возникающие из сингулярной структуры Ek (1d и 1e).

Помимо хорошо различимых трехмерных структур, узлы также могут быть представлены косами. Геометрически косы состоят из переплетенных друг с другом прядей, которые не переворачиваются на уже задействованной плоскости. Каждый узел можно представить в виде отдельной косы.


Изображение 2

Например, узел трилистник () может быть выражен как закрытие косы на 2b. Такое представление можно применить и к узлам/косам в трехмерном пространстве. Например, трилистник, внедренный в тор (2c), может быть получен посредством стереографической проекции косы, заключенной в цилиндр (2d).

Один из способов выполнить эту проекцию выразить эту косу как нули комплексного поля. Это поле записывается как функция комплексных координат (u, v), которые относятся к пространственным координатам (x, y, h), в которые коса вложена через u = x + iy и v = exp(ih). Это заплетенное поле, в свою очередь, может быть преобразовано в соответствующий ему узел со стереографической проекцией, определяемой:



где (, , z) цилиндрические координаты трехмерного пространства, в которое теперь вложен узел.

Данная проекция превращает косу, определенную на (x, y, h), в узел в (, , z), соединяя два ее конца, тем самым отображая координату h на .

Вышеупомянутая проекция в значительной степени используется при построении узловых оптических полей. В частности, скалярное оптическое поле может быть построено путем согласования его поля вдоль плоскости z = 0 с полем комплексного узла, возникающего в результате проекции косы. Когда это оптическое поле является параксиальным, то его формулировка в последующих z-плоскостях может быть получена с помощью методов параксиального распространения. Затем этот метод может быть расширен для описания параксиальных узловых C-линий.

Проекция, построенная из вышеуказанной формулы, была использована для создания структуры со свойствами, которые легче всего связать с оптическими узлами. Такой структурой стал тор Т2, полученный из проекции цилиндра С, охватывающий трехмерное представление соответствующей косы. Далее размеры узлов масштабировались так, чтобы их структура соответствовала Т2.

Также было использовано преобразование координат для кривой, образованной узловой С-линией. Это преобразование эффективно разрезает узел по заданному азимутальному углу и разворачивает его, тем самым сопоставляя координату узла с координатой h пространства. Во время этого процесса обеспечивается локальное сохранение ориентации обрамления узла. На показал узел трилистник до, а на 2f этот же узел после данной процедуры.

Такое преобразование позволило определить определенную информацию касательно узлов (угол закручивания, например). В данном случае угол закручивания состоит из азимутальной ориентации ленты в обрамлении, где нормаль совпадает с касательной к развернутому узлу (2g).

Кодирование информации на узел


Учитывая возможность извлечь угол закручивания из оптического обрамленного узла, появляется возможность использовать данную структуру для записи информации.

Метод записи данных основан на паре чисел (, ), где натуральное число, а число, связанное как с , так и с топологической структурой обрамленного узла.



где k обозначает прядь в косе рассматриваемого обрамленного узла, dk количество полуоборотов вдоль k пряди, демонстрирующей полуоборот (т.е. dk = если пряди не скручены), pk простое число, присвоенное k пряди. M = kdk состоит из общего числа полуоборотов в обрамлении узла.

Вышеперечисленные переменные позволяют определить натуральное число:



Таким образом, приведенное выше представление обрамленного узла и одной из его кос может быть использовано для кодирования и декодирования топологически защищенной информации.

Теоретический пример: Алиса и Боб


Далее ученые предлагают теоретический пример того, как этот процесс будет выглядеть. Предположим, что Алиса хотела бы отправить Бобу сообщение.

Это сообщение является результатом работы (выходные данные) программы, обрабатывающей некие входные данные (набор чисел dk, где k = 1, 2,, n). Ожидается, что запуск программы с таким набором предоставит сообщение Алисы.

Алиса представляет свою программу и ее выходные данные в виде обрамленной косы. Сама операция, выполняемая программой, идентифицируется как последовательность пересечений на планарной диаграмме косы, а исходные данные это количество полуоборотов на прядь. Программа Алисы полностью определена как обрамленная коса с n прядями в виде узловой ленты (КA).

Предположим, что Алиса не хочет отправлять Бобу оригинал обрамленной косы, а лишь КA. В таком случае возможно усложнить КA, тем самым скрыв (зашифровав) оригинальную обрамленную косу.

Следовательно, необходимо выполнить ряд действий. Сначала нужно выбрать натуральное число . Далее определить проекцию обрамленной косы по отношению к КA. Для этого нужно распределить количество полуоборотов в КA для разных прядей косы, то есть установить dk так, чтобы MA = kdk.

Следом необходимо присвоить простые числа pk прядям, демонстрирующим полуобороты. И наконец определить число согласно формуле 2.

После того как данная процедура завершена, Алиса может отправить Бобу ленту КA, завязанную узлом, и числа (, ).

Естественно, полученное сообщение необходимо расшифровать. Для этого Боб должен вычислить N,(MA), разложение которых на простые множители дает dk. За счет этого Боб может восстановить оригинал обрамленной косы, которую отправила ему Алиса.


Изображение 3

Данная операция по обмену данными показана на схеме выше.

Если свести все к простым терминам, то у Алисы есть лента (данные), которая она хочет передать Бобу. Эту ленту можно преобразовать в сложный узел и закодировать исходное состояние, предоставив средства для декодирования исключительно Бобу.

Практические эксперименты



Изображение 4

Следующим этапом исследования стала практическая реализация приведенного выше теоретического примера. В опыте были использованы параксиально-узловые C-линии, полученные посредством интерферометра Саньяка ().

Это устройство разделяет однородно поляризованный световой луч на две ортогонально поляризованные компоненты, каждая из которых модулируется пространственным модулятором света (SLM от spatial light modulator). SLM отображает голограммы, в которых зашифрованы как интенсивность, так и фаза целевого оптического поля.

Одна компонента модулируется для получения пучка с узловыми оптическими вихрями, такими как Ek- (1c). Вторая компонента модулируется, чтобы сформировать большой гауссов пучок, который равномерно покрывает всю узловую составляющую, тем самым эффективно принимая на себя роль плоской волны Ep+ (1c).

На выходе из интерферометра два луча когерентно складываются, тем самым преобразуя узловые фазовые вихри Ek- в параксиально-узловые C-линии. Узел и его обрамление затем можно реконструировать с помощью измерений поляризационной томографии, позволяющих получить профиль поляризации поля.

С помощью данной экспериментальной установки удается получить узлы разных типов: трилистник и печать Соломона (пятилистник). На 4b показаны голограммы, отображаемые на SLM, а также амплитуды и фазы полей, которые они должны создавать.

Фаза поля для узла трилистника и для узла пятилистника представлены следующими формулами:





где масштабированная и безразмерная версия цилиндрической радиальной координаты, азимутальная координата, a, b, s параметры, определяющие форму узла.

Для узла-трилистника рассматривались параметры a = 1, b = 0.5 и s = 1,2, тогда как для узла-пятилистника использовались a = 0.5, b = 0.24 и s = 0.65.


Изображение 5

Обрамленные узлы, полученные в ходе теоретических опытов, показаны на . А вот на 5b показаны узлы, полученные в ходе практических опытов. Помимо незначительных дефектов, возникающих в местах стыковки С-линий на концах узлов, наблюдается очень хорошее согласование теории и экспериментальных результатов. Схемы показывают развернутый вариант экспериментально полученных узлов. Сравнение числа полуоборотов также показало значительное совпадение теории и практики (5d).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


Если очень и очень грубо суммировать колоссальный труд ученых, то мы получим две вещи. Во-первых, из лучей света можно вязать узлы разной степени сложности. Во-вторых, этот процесс позволяет записывать информацию, которая будет закодирована в ходе образования узлов.

Как отмечают сами ученые, ранее подобные структуры (оптические узлы) уже изучались, однако лишь как двумерные системы. В этом же труде их наконец-то рассмотрели как полноценные трехмерные структуры, что позволило куда лучше понять их свойства и возможные варианты применения.

Одним из таких применений является передача зашифрованных данных. Авторы исследования заявляют, что современные технологии позволяют с высокой точностью манипулировать различными параметрами лучей света (интенсивность, фаза, длина волны и т.д.). Возможность менять эти параметры позволяет кодировать и декодировать информацию посредством исключительно оптических методов.

Кроме того, данное исследование может помочь в топологических квантовых вычислениях, поскольку можно существенно снизить степень шума, который является одной из основных проблем в данной области. Конечно, это лишь теоретические предположения, которые еще предстоит проверить на практике. Тем не менее результатов, полученных в ходе данного исследования, уже достаточно, чтобы более оптимистично смотреть на грандиозные планы ученых.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Китай vs США особенности противостояния ИТ-гигантов

21.12.2020 18:22:45 | Автор: admin


В своем фундаментальном произведении Искусство войны, знаменитый китайский мыслитель и стратег Сунь-цзы утверждал, что все сражения выигрываются/проигрываются еще до их фактического начала. События разворачивающиеся вокруг двух сверхдержав США и Китая, естественно далеки от полномасштабного сражения, однако сами законы человеческой природы диктуют необходимость приготовлений к возможному столкновению. Информационные технологии, в самом широком понимании этого словосочетания, для достижения стратегического превосходства в ХХ веке играют роль как никогда важную, пожалуй даже решающую, видимо данное обстоятельство и стало первопричиной тех ИТ-трений между Китаем и США наблюдателями которых, на протяжении уже нескольких лет, мы с вами являемся.

Обострившаяся, особенно сейчас, деятельность правительства США по ограничению сотрудничества с вражескими компаниями, казалось бы, не вызывает особого удивления. Однако, тут есть нюансы. Корпорации: Apple и Google, Huawei и Xiaomi, так же как и многие другие, будучи формально китайскими и американскими фактически являются частными акционерными обществами. Оперируя многомиллиардными прибылями, проникая в повседневную жизнь сотен миллионов рядовых пользователей гаджетов и ПО по всему миру, будучи инструментом по продвижению идей и товаров они вышли за границы национальных государств превратившись в транснациональные конгломераты, что уже в свою очередь сделало их заложниками собственного успеха. Сложилась довольно парадоксальная ситуация, имея на данный момент прообраз единой мировой экономики, объединенного Интернетом без границ и паспортов ИТ-сообщества, мы все еще находимся в мире конкурирующих за сферы влияния национальных правительств. В условиях складывающихся отношений между США и Китаем экономика, научный прогресс стали разменной монетой геополитики. Как это сказывается на ИТ-гигантах и чем чревато для нас всех в будущем? В этих особенностях мы с вами и попробуем разобраться далее в статье.


От любви до ненависти...


Именно так можно охарактеризовать уровень взаимоотношений, что царили между двумя странами на протяжении последних лет ста. От союзников, во времена второй мировой войны, до прямых боестолкновений в Корее, от совместного противостояния расширению влияния СССР в Азии, к состоянию все более напоминающему холодную войну между Соединенными Штатами и павшей некогда Страной Советов.

На фоне качель внешнеполитического курса Поднебесной, развитие ее ИТ сектора также переживало не лучшие времена. Свои первые ЭВМ китайцы получили лишь в конце 50-х годов ХХ века, при всеобщем содействии северных товарищей. Скопировав советские модели компьютеров М-20 и БЭСМ-2, не имея собственного полного цикла по разработке, созданию, внедрению, модернизации передовых вычислительных систем, в условиях планово-командной экономики, развитие компьютерной индустрии в стране на этом этапе закончилось с прекращением кооперации с СССР. Обвинив в 1961 году КПСС предателями и ревизионистами, последователи секретаря Мао в тот же час лишились материально-технической поддержки из Союза. Поскольку до потепления отношений с западом оставалось еще более 10 лет, а ввергнувшая в перманентный хаос страну Культурная революция также явно не способствовала становлению далекого от нужд рабоче-крестьянской страны направления по развитию ЭВМ, то еще каких-то 30-40 лет назад ИТ в Китае пребывало в зачаточном состоянии.


Американский президент Ричард Никсон в феврале 1972 году посетил Китайскую Народную Республику

Прорыв в межправительственных взаимоотношениях Америки и Китая для последнего стал первой ступенью к тем высотам в ИТ-секторе которых Поднебесная достигла сегодня. Безудержный рост Китая долгое время подогревался западным сообществом, но времена изменились. Сложно сказать, что КНР при Великом Кормчем была более миролюбивая и толерантная, демократическая и открытая страна нежели ее современная версия, однако то что мы можем наблюдать в отношениях, между еще недавно теплыми партнерами, иначе как раскол не назовешь и видимо вечно гонимые тибетцы с уйгурами тут ни при чем.

Ничего личного, это просто бизнес...




Назвать взаимоотношения между двумя странами исключительно односторонними было бы в корне неверно. Естественно, благодаря кооперации с американскими индустриальными конгломератами Китай сделал гигантский скачок от сельскохозяйственного сообщества к постиндустриальному, и все это на глазах всего одного поколения людей. Но на сколько это уникальная ситуация? Если присмотреться к Юго-Восточной Азии, мы обнаружим целый ряд схожих историй. Япония, Корея, Сингапур, Тайвань, Малайзия, Филиппины все эти страны пережили подобные китайскому экономическое чудо, основанное на кооперации с американскими корпорациями. В абсолютном большинстве случаев программы по привлечению в американскую систему образования одаренной молодежи из Азии, гранды из гос. бюджета всевозможным зарубежным НИИ, размещение производственных возможностей за пределами США позволили аккумулировать именно в Штатах основную часть научного потенциала нашего времени, при этом удачно завязав на себе основные производственные циклы весьма хаотично раскидные по всей планете.

В то время как СССР на безвозмездной основе поставлял Кубе зерно и масло, обувал и одевал северную часть Кореи в надежде таким образом приобрести благосклонность новоиспеченных союзников, США налаживало с дружественными государствами производственные цепочки. Поскольку же главной особенностью этих цепочек стала их фрагментарность, научный и производственный потенциал стран так быстро разбогатевших на сотрудничестве с заокеанскими партнерами стал глубоко зависимым от этого самого заокеанского партнера. Фактически все эти азиатские лидеры ИТ-индустрии являются более/менее успешными региональными подразделениями американских корпораций. Почему же с Китаем должно быть иначе?

Взаимное проникновение


Размеры внутреннего рынка, безграничные производственные ресурсы Китая на фоне наличия третьего в мире ядерного потенциала это все то что явно отличает Китай от его региональных соседей. Соответственно объемы и глубина кооперации в ИТ между США и Китаем на столько существенна, что уже сейчас о полномасштабном противостоянии этих двух стран вести речь не приходится. В противном случае это может привести к всеобщему коллапсу цифрового мира, что само по себе в наше время сравнимо с глобальным апокалипсисом.



Технологическая зависимость Китая перед США не менее существенна нежели зависимость США в производственных ресурсах перед Китаем и тут дело не только лишь в громадных фабриках заполненных дешевой рабочей силой. Согласно оценкам геологов в Китае находится 37 % мировых запасов редкоземельных металлов (молибден, ванадий, сурьма), при этом сегодня ему принадлежат 95% их мировой добычи, а без этой добычи мы можем смело попрощаться с современной полупроводниковой техникой. В общем всю эту взаимозависимость можно легко увидеть на конкретных примерах конкретных корпораций, будь-то они формально из Китая, либо США.

Наиболее характерным примером тут пожалуй выступит небезызвестная Apple corporation. Будучи для многих символом технологического превосходства Соединенных Штатов над остальным миром компанию с этой страной сейчас связывает не так уж и много, не считая истории ее происхождения. Из 137 тысяч ее сотрудников непосредственно в Штатах находится около 50 тысяч это чуть более трети от общего числа. В попытках минимизировать налоговые потери ИТ-гигант пошел также по весьма интересному пути. Регистрируя свои филиалы в разных странах мира, в первую очередь в оффшорных гаванях, как независимые от метрополии компании по оценкам независимых экспертов руководству Apple удалось снизить эффективную налоговую ставку на свою деятельность до ошеломляющих 3%. Если подойти к такому положению вещей формально, можно весьма обосновано утверждать, что Apple является американской (размещена штаб квартира) не более того как и китайской (размещены основные производственные силы), Ирландской (где благодаря минимальным процентам на прибыль светится основная выручка). Собственно все тоже, в большей или меньшей мере, относится и к другим ИТ-корпорациям будь то Samsung или даже государственная ZTE.

Нет ничего удивительного в том, что иногда ИТ-компании вынуждены идти на компромисс с некоторыми своими принципами в угоду политической конъюнктуре в стране где ведут свой бизнес. Все мы знаем как с китайскими коммунистами в свое время заигрывали YouTube и Google, а Apple и IBM собственно продолжают это дело и сейчас. Но это самые яркие примеры, менее крупные компаниями в разных регионах мира идут на схожие уступки, будь это специфика работы в мусульманских странах, либо требования, разного уровня авторитарности, режимов о необходимость размещать персональные данные граждан этих стран на их территории.

Забаненный Huawei


Последние события вокруг китайского флагмана в ИТ-индустрии вызвали довольно много противоречий и споров. Сначала лишив китайские телефоны поддержки сервисов от Google, правительство США развернуло настоящую компанию по дискредитации самой корпорации Huawei. Недавно выдвинутые президентом США Трампом обвинения в том, что Huawei и ZTE передает персональные данные пользователей китайским спецслужбам были лишь очередным шагом по отсечению компаний от участия в осваивании бюджетов телекоммуникационных игроков рынка по созданию скоростных интернет сетей 5G.



Блокируя продвижение Huawei в целом ряде стран, ограничивая разного рода санкциями сотрудничество с разработчиками ПО и процессоров, правительство США тем самым создает явно не равные условия конкуренции на этом рынке. Так же нельзя упускать из виду сам прецедент таких действий со стороны блюстителя мировой законности, который явно должен стать уроком и для других участников этого многомиллиардного пирога.

На самом деле разобраться в этом хаосе взаимных связей между странами, компаниями весьма не просто. Огульно применяемые санкции и блокировки некой конкретной вражеской компании могут в той или иной мере негативно сказаться не только на ней, но и на своих же. Ситуация с высокотехнологическими производствами не такая линейная как может показаться.

Запрет на использование хайпового ПО на определенных гаджетах может породить для него из стана врага на столько серьезного конкурента, что через некоторое время конкурент вытеснит сегодняшнего лидера пожинающего плоды монополиста. Тоже самое в равной мере относится и к железу. Но действительно ли компании из поднебесной на столько технолошично развиты, что смогут в ближайшем будущем локализовать у себя закрытый цикл передовых ИТ-разработок? Вопрос однозначно открытый.

А он первый начал!


Сами формулировки с которыми совершаются нападки на китайских ИТ-шников, как минимум, двулики. По сути, в данный момент КНР довольно няшная и пушистая. Но это конечно же в сравнении с ее недавней историей. Ужасы культурной революции (длившейся до 1976 года), события на площади Тяньаньмень (1989 год), кровавое подавление восстания уйгуров Кульджинские события (1997 год), поддержка откровенно тоталитарного режима на севере корейского полуострова и многое другое. Все эти факты до самого последнего времени никак не мешали выйти США на товарооборот в $600 миллиардов.

Из особо интригующих обвинений в сторону Китая, не так давно озвученных правительством США, обвинения в том, что китайские компании сотрудничают с китайской разведкой. Собственно само по себе это утверждения никогда особо и не ставилось под сомнение. В тоже время подобного рода утверждения вполне справедливы для любой компании работающей в мало-мальски уважающей себя стране. Соблюдение компаниями законов страны в которых они ведут свой бизнес это один из базовых пунктов в лицензионных соглашениях на предоставление услуг и использования товаров этой компании. Более того сбор всевозможных данных играющих важную роль для безопасности той или иной страны это прерогатива всех спецслужб, и не являются ни для кого новостью. Способы сбора этих данных в первую очередь остаются на совести самих спецслужб, и в первую очередь именно они несут ответственность за возможные действия идущие вразрез с действующим законодательством. По сути, тот же Huawei уязвим к работе американских спецслужб не менее чем к их китайским коллегам.

Парадокс в том, что если не докапываться до каких-то неуклюжих формулировок идущих из Вашингтона, то можно сказать проблема китайского бизнеса прежде всего в самом Китае. На самом деле принятые Госдепом США меры являются ответом на уже существующие давно ограничения на работу международных компаний в самом Китае.


Большинство ИТ-сервисов в Китае имеют своих клонов, часто представленных только там

Свободно конкурируя по всему миру китайские компании зачастую являются искусственными монополистами в своей стране. Благодаря административным ограничительным мерам правительства Китая. К примеру, поисковик от столь коварного Google вообще не имеет возможности в стране легально функционировать. Тоже самое касается социальных платформ, а по сути бизнесов, Facebook, YouTube, Twitter, WhatsApp, Instagram, Pinterest и тд. И это все на минутку в стране с рынком в 900 миллионов интернет пользователей.

Заключение


Наличие политической целесообразности никогда не сказывалось позитивно на экономике, жители постсоветского пространства пожалуй как никто другие могут это подтвердить. Искусственные преграды на пути транснациональных корпораций конечно могут дать экономический эффект для внутреннего производителя, но лишь в короткой перспективе. Отлученные от мирового прогресса, сконцентрированного так или иначе на западе, в среднесрочной перспективе китайцы столкнутся с огромной проблемой. Конечно мы можем допустить такое развитие событий при котором красные товарищи перевернут существующий мир с ног на голову. Да, возможно одна из китайских копий кремневой долины, со временем, сможет переплюнуть калифорнийский оригинал. Возможно китайцы смогут стать во главе прогресса и будут диктовать моду на гаджеты, но вполне очевидно, что если подобное и произойдет то явно не благодаря политике изоляционизма, патернализма к собственным производителям, ограничениям распространения информации внутри страны.

В данный же момент мы с вами видимо будем наблюдать очередной откат в отношениях США и Китая. Противоречия которые копились десятилетиями сейчас все более интенсивно выплескиваются на страницы информационных ресурсов. Как следствие взаимные преграды, поиск американскими компаниями новых производственных площадок, попытки китайских разработчиков ПО составить действительно стоящую конкуренцию заокеанскому продукту. Такие сотрясения цифрового рынка можно расценивать как шанс, новые возможности для небольших компаний и разработчиков, ведь конкуренция это всегда плюс. В то же время, если события будут все более накаляться, не стоит забывать, что расплачиваться за все издержки связанные с разрывом существующих производственных цепочек и построение новых, будет всегда конечный потребитель. В этом контексте сложно не согласится с великим полководцем Сунь-дзы: Война любит победу и не любит продолжительности.

В любом случае вся эта история не на один день. Возможно в скором времени новая президентская администрация во главе с Джо Байденом сменит гнев на милость и мы увидим очередной цветочно-клнфетный период в взаимоотношениях таких заклятых друзей как США и Китай.



Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Перевод Как два студента колледжа заработали 600000 за 24 часа

19.12.2020 22:21:31 | Автор: admin
В 2017 году студенты Университета Аризоны Алан Алчалел и Брэди Сильвервуд разработали стратегию продвижения своей линии купальников Sunny Co Clothing. Они обещали всем, кто сделает репост поста с бесплатным купальником, товар бесплатно, необходимо лишь заплатить за доставку $12 (розничная стоимость купальника без акции $64,99). Предложение действовало 24 часа.

image
Фотография, с которой все начиналось. @sunnycoclothing

За ночь число подписчиков в Instagram выросло с 7 000 до 784 000. Более 346 000 человек приняли участие в акции, что заставило ребят ограничить предложение в 50 000 единиц. Давайте посчитаем: 50 000 единиц x 12 = $600000. Нет, это не опечатка. Кампания собрала более $600000 за 24 часа. Это было настолько неожиданно, что ребятам пришлось вернуть почти $73000, так как они не могли удовлетворить спрос. Это создало кучу споров и разговоров, называющих рекламную кампанию провальной. Один писатель даже подумал, что она принадлежит к той же категории, что и печально известный фестиваль Fyre. Не все смогли оценить полную картину происходящего.

Если не брать во внимание вопросы инвентаризации, то реальность такова, что два студента колледжа за один день получили больше прибыли, чем многие предприятия за год. И сделали это, потратив фактически $0 на рекламу.

По правде говоря, у этой рекламной компании можно многому научится, поэтому давайте разберем стратегию более подробно. В этой статье я расскажу о ключевых методах, которые вы можете применить к своим собственным рекламным компаниям. Затем я предоставлю шаблон, который можно использовать, чтобы реклама стала успешной. Ничего с того, что сделал Sunny Co, не было революционным все просто было хорошо реализовано. И если вы будете следовать принципам, которые они использовали, тоже сможете добиться колоссального успеха.

Сколько было прибыли?


Для начала давайте взглянем поближе на цифры. Если вы не производите свой собственный товар, единственный способ обещать купальник за $12 это оптовая закупка. Учитывая это, вполне вероятно, что Sunny Co взяла продукт у зарубежного поставщика. Я провел быстрый поиск по Alibaba и нашел похожий купальник, который стоит $6,10 за единицу (при заказе свыше 100). Предположим, что они смогли договориться о цене до $3 за единицу, учитывая, что заказ был 50 000 штук. В 2017 году через USPS First Class можно было отправить 7-унцевую посылку по США примерно за $3. Значит что мы имеем $0,50 за упаковку/брендинг и $0,70 за обработку платежа, что приводит к общей стоимости до $7,20. Расчетная прибыль = $12 $7,20 = $4,80 с одного купальника. Мы знаем, что в итоге они вернули около $73 000. Но если бы они смогли предсказать будущее и правильно спланировать цепочку поставок, то за 24 часа они бы получили прибыль в размере более $240000. Волшебно.

Почему это сработало?! Три ключевых фактора:


  • 1. Слово бесплатно заставляет остановить свой взгляд. Хотите привлечь внимание? Предложите что-нибудь бесплатно.

    Обратите внимание: как мы видим в этой рекламной компании, Sunny Co довольно либерально использовала слово бесплатно. В любой другой ситуации, доставка $12 за один купальник звучит возмутительно. Тем не менее, скорее всего, многие покупатели понимали, что стоимость доставки завышена, но слово бесплатно подкупало людей, учитывая, что розничная стоимость купальника $64,99. Основная причина заключается в том, что люди любят слово-идею бесплатно.
  • 2. Акция действует ограниченное время.

    Если бесплатно привлекает вниманием аудитории, то временные рамки акции, не оставляют людям иного выбора, только реагировать. Sunny Co воспользовалась этим, ограничив свою кампанию 24 часами, что убедило их аудиторию сразу же воспользоваться предложением. Нет ничего хуже, чем упустить шанс взять что-то бесплатно.
  • 3. Соответствующая фотография, дает хорошую конверсию. Необходимо, чтобы людей заинтересовала картинка.

    Эта кампания не просто так стала популярной. Пункты 1 и 2 являются важными, но они бы не сработали, если бы фото в Instagram не было привлекательным для аудитории. Но это не было проблемой для команды Sunny Co, поэтому они и выбрали такой образ:

    • Картинка выглядела так, как обычное фото их аудитории в ленте Instagram (а не спам-реклама).
    • Интересы их целевой аудитории (теплая погода и бассейны).
    • Использованные цвета, ассоциирующиеся с возбуждением (т.е. красный).

    Все эти факторы в совокупности гарантировали внимание к их кампании.

    Шаблон: как заработать $600000 за 24 часа


    Вот как вы можете повторить успех Sunny Co.

    • Шаг 1. Найти товар на Alibaba.

      В найденом продукте необходимо, что бы была возможность сделать ребрендинг. В качестве стоимости доставки учитываем стоимость единицы продукции + стоимость доставки + желаемую прибыль. Например, возьмем очки с линзой Blue Blocker (очки для работы за компьютером), стоимость $1,80 за единицу. Вы можете отправить их в любую точку США примерно за $3 через USPS First Class. Общая стоимость получается $4,80. Если вы продаете товар, у которого есть преимущества(специальные возможности) и реклама настроена должным образом (к примеру, очки с линзой Blue Blocker предотвращает головную боль), я думаю, что вы могли бы убедить аудиторию заплатить до $8 за доставку. Таким образом, вы получаете $8-$4,80=$3,20 прибыли.
    • Шаг 2. Закажите образцы.

      Проверьте качество и соответствие заявленным характеристикам продукта. Этот шаг является обязательным и избавит вас от террора массовых возвратов из-за претензий к качеству. Обратите внимание на отзывы поставщика о сроках выполнения заказа. Убедитесь, что они могут своевременно обрабатывать большие объемы.
    • Шаг 3. Настройте магазин Shopify. Создайте привлекательный образ для социальных сетей.

      Как мы уже говорили ранее, важно, чтобы фото не выглядело как реклама и соответствовало интересам вашей аудитории. Я настоятельно рекомендую включить в рекламную кампанию человека. Все таки, люди лучше всего относятся к другим людям.
    • Шаг 4. Организуйте ограниченную по времени кампанию репостинга.

      Попросите всех, кого вы знаете, опубликовать пост или купите репосты у тематических аккаунтов- блогеров. Ваша кампания должна выглядеть примерно так: В течение следующих X часов каждый, кто сделает репост фото в Instagram и отметит нас, получит бесплатный [продукт]. Чтобы принять участие в акции, необходимо быть подписанным на наш аккаунт. Кампания Sunny Co существовала 24 часа. Вы можете запустить рекламу на более длительный период, все зависит от вашего желания. Просто знайте: короткие рекламные акции создают больше ажиотажа, что в следствии дает и лучшие результаты. Если у вас уже есть подписчики или активный круг общения, которым вы можете воспользоваться, я вас поздравляю, вы можете потратить на рекламу $0. Если нет, создайте тематические аккаунты в Instagram и купите рекламу на сумму не менее $500.
    • Шаг 5. Стань вирусным и получай прибыль.

      Здесь есть много важных компонентов, например, насколько хорошее ваше брендирование, насколько привлекателен продукт, а так же очень важным пунктом является привлекательность ваших фотографии. Само собой разумеется, что результаты будут разными. Но, как продемонстрировал Sunny Co, если Вы знаете свою аудиторию, то шансы увеличиваются в вашу пользу. Если вы будете следовать всем пунктам, то нет причин, что бы успех обошел вас стороной.

    Понимание структуры рекламной компании


    В конце концов, ключевым моментом является сила модели кампании бесплатно в течении ограниченного времени. Ранее использовали этот метод для привлечения посетителей в свои магазины. Задачей было побудить покупать сопутствующие товары, пока клиенты находятся в магазине. Однако в современной экономике теперь можно зарабатывать деньги непосредственно на продукте, который вы раздаете бесплатно, так как, многие товары можно купить за рубежом за копейки. Так что думайте и самое главное проявляйте творческий подход. Следующий вирусный источник прибыли не за горами.

    Немного рекламы


    Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

    Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

В борьбе синих и красных победа присуждается радужным! Или все-таки не присуждается? Ну противостояние-то хоть было?

20.12.2020 16:19:50 | Автор: admin


Уже прошло более месяца с момента официальной презентации корпорацией Apple обновленной линейки MacBook. Краеугольным камнем новшеств стали камни вычислительные процессоры. Для последователей продукции Apple переоценить данное событие довольно сложно, ведь мир увидел не просто улучшение существующего техпроцесса, изменения затронули саму архитектуру процессоров новых MacBook. Постепенный отказ от сотрудничества Apple с Intel, и как результат появление нового яблочного процессора М1 уже сейчас многие называют эпохальным событием.

На протяжении месяца мы с вами являемся свидетелями всевозможных Benchmark тестов, обсуждений, прогнозов, а порою и откровенных срачей между сектами последователей/хейтеров упомянутых выше корпораций. Особой пикантности ситуации предает тот факт, что в этот раз Apple смогла задеть не только чувства верующих от Intel, Apple и AMD, к разборкам также подключились еще два не менее буйных лагеря свидетелей архитектуры ARM/x86. Ведь основным мотивом отказа от использования в своих МасBook продукции синих стала не банальная интрижка на стороне у красных, а радикальный уход процессоров М1 на совершенно отличную от х86 архитектуру ARM, что само по себе уже чревато самыми интересными последствиями.

Так все таки кто кого? Кто на коне, а кого ждет скорое забвение? Станет ли Apple законодателем моды на ARM процессоры в полноценных рабочих станциях со своим all-in в процесорную систему Apple Silicon, или мир еще не готов к столь радикальным переменам? О всем этом и не только пойдет далее речь в статье.

Легкая предыстория


Забегая немного вперед можно констатировать, что действительно наибольшее число революций в разработке и производстве процессоров произошло в 60-70х годах ХХ столетия. Первый центральный процессор в нашем современном их понимании Intel 4004, впервые объединивший в себе возможность исполнять логический и арифметические функции, первый 8-битный процессор Intel 8006, который в том числе, впервые, дал возможность пользователям ЭВМ работать с буквенной кодировкой, и конечно же легендарный Intel 8086 разработанная под него архитектура набора команд дала название архитектуре х86, на база которой и сегодня выпускают свои прорывные решения Intel и AMD. Да собственно и сами вышеупомянутые компании, с их противостоянием, также берут свое начало из конца 60-х, как ушедшие в свободный полет птенцы из общего гнезда одного из основателей кремневой долины Fairchild Semiconductor International Inc.


Вероломная восьмерка в скором будущем присутствующие здесь люди создадут Intel и AMD

Несколько иной от х86 подход к набору команд внутри центрального процессора породил архитектуру ARM, однако и она не является достижение последних десятилетий. Первые рабочие станции на ARM увидели свет в первой половине 80-х. Архитектура, с первых лет своего существования, зарекомендовала себя как крайне эффективная, ответить же на вопрос: Почему мы увидели полноценную рабочую станцию от Apple на ARM только сейчас? довольно сложно. Во-первых полноценным компьютером на базе ARM процессора стал ПК из семейства Acorn Archimedes еще в далеком 1987 году, а во-вторых станет ли новинка от Apple действительно эффективным решением, в отличии от своих ARM предшественников, это все еще уравнение с целым рядом неизвестных.

AMD и Intel: враги, конкуренты, или вовсе партнеры?


Компании с переменным успехом существуют уже на протяжении 50 лет. И это в мире хайтека где каждый год появляются и уходят в забвение десятки не только мелких стартапов но порою и заслуженных ИТ-гигантов. Более того общие истоки Intel и AMD, как и их перманентная кооперация на протяжении всей их истории такого бескомпромиссного соперничества как минимум наталкивает на размышления.



С первых дней своего существования Intel и AMD шли рука об руку и скорее дополняли друг друга нежели соперничали. Подписав с Intel крос-лицензионное соглашение на использование взаимных патентов, представленный в 1975 году процессор от команды AMD Am9080, был точной копией Intel 8086. По сути и все дальнейшее развитие собственной процессорной продукции у коллектива AMD всегда попадало в фарватер Intel. Улучался тех процесс, усовершенствовался набор команд, вводились изменения в компоновку железной составной, однако в принципиальных вопросах построения самой архитектуры процессора никаких разногласий у конкурирующих флагманов ИТ-рынка никогда не возникало. Давайте лишь вспомним, что кроме широко известных сейчас архитектур под х86 и ARM CISC и RISC, существуют VLIW, EPIC, SIMD, MIMD и многие другие. Разбор особенностей всех этих архитектур, и споры об их реальной эффективности это тема для отдельной дискуссии но тот факт, что ни Intel ни AMD до их пор не представили сколько либо конкурентного решения на базе процессоров ARM, уже сейчас завоевавших абсолютное лидерство на рынке носимой электроники, вызывает откровенное недоумение. Недоумение, если воспринимать двух вышеупомянутых ИТ-гигантов как действительно конкурентов.

Общее прошлое, взаимовыгодная работа на развитие и продвижение х86 совместимой архитектуры синими и красными точно также как и интеграции их продукции со сторонними производителями железа и программного продукта весьма показательны. К всему вышеупомянутому стоит еще добавить и о прямых финансовых вливаниях Intel в стан смертельного конкурента. В 2009 году, после длительных судовых разбирательств, по результатам решения антимонопольной комиссии ЕС, Intel без лишних сожалений, согласился выплатить AMD компенсацию в размере 1,25 миллиарда долларов. Можно долго спорить на сколько сильно синие провинились перед свободным рынком и персонально AMD занимаясь демпингом ( к слову о дороговизне решений от Intel ), и незаконно использовали некоторые патенты красных, однако феноменальная сумма выплаченная компании в период ее не самых лучших времен говорит о многом.


Котировки акций AMD на фондовой бирже по годам. До триумфального появления Ryzen еще долгих 7 лет, а жить-то как-то надо сейчас

Но даже если вовсе откинуть все эти полуконспирологические теории о сговоре и взглянуть на выпускаемую двумя компаниями продукцию можно также увидеть небезынтересные закономерности. Процессоры от AMD или копировали существующие Intel, или дополняли ее линейку собственными разработками. Несколько иное позиционирование на рынке обоих компаний позволило до самого последнего времени целиком контролировать многомиллиардный рынок процессорных решений для ПК.

По сути продукция от Intel была всегда нацелена на потребителя желающего получить готовое решение из коробки, соответственно и публика отдававшая бренду свое предпочтения готова была за это дело переплачивать не слишком заморачиваясь техническими подробностями систем обладателями которых они стали. В тоже время целевая аудитория для AMD это в основном люди у которых не слишком большой бюджет, зато есть время и желание заниматься апгрейдами системы обновление сокета под красные камни происходило куда реже нежели у их аналогов от Intel, разгоном процессоров AMD никогда особо не блокировала эту возможность. Видимо именно из этих особенностей и берет свое начало та религиозная война между двумя антиподами сторонниками дорогих холодных процессоров и Кулибиных готовых за минимальную сумму слепить высокопродуктивную станцию на базе продукта от AMD.

АRM М1 от Apple не первая ласточка


Пока Intel и AMD методично окучивали х86 архитектуру, на шестом десятке лет этого достойного занятия они фактически перестали быть монополистами на рынке процессорных решений. Поскольку без центрального процессора в современном мире сложно представить даже банальный чайник, фактическая распространенность ARM процессоров давно уже превзошла коллег с х86. Тем самым создав еще одну линию боесоприкосновения. Если еще лет 10 назад конкуренция двух архитектур не воспринималась массами ИТ-шников слишком серьезно, то сейчас уже накал страстей при обсуждениях вышеупомянутой темы может взлететь выше неба.

Фактическая картина использования обоих типов процессоров расставляет все на свои места, вроде как. Энергоэффективные ARM завоевали рынок компактной, носимой электроники где на первом месте всегда стоял уровень расхода энергии, а не максимальное быстродействие. Производительные же х86, с их набором исполнительных инструкций CISK, оккупировали наши домашние ПК, ноутбуки, серверные платформы где объем потребляемый энергии был не столь важен против максимальной производительности процессора. Однако, самое удивительное в этой истории то, что фактическое положение вещей стало результатом целого ряда факторов, из которых реальная производительность ARM процессоров была отодвинута на задний план.


В свое время фигурировала информация, что Минпромторг СССР в начале 90х проводил с правительством Великобритании переговоры о возможности покупки полного лицензированного производства линейки ПК Acorn Archimedes на территории Союза. Что бы из этого могло выйти где то в параллельной вселенной, где покупка была одобрена и страна советов не канула в лету, сейчас можно лишь фантазировать

История с производством, в начале 90-х, ПК на базе ARM процессоров Acorn Archimedes показало, что многомиллиардный бизнес это не только разговор о фактической продуктивности систем для конечного потребителя. Инстинкт самосохранения у существующих производителей однозначно победил, вследствие чего Intel с AMD и далее продолжили развивать свою архитектуру, а ARM процессорам пришлось перекачивать на слаборазвитый, малобюджетный, не слишком перспективный ( в те далекие времена ) рынок портативной электроники. В тоже время для Intel и AMD стало очевидным, что набор исполнительных инструкций используемый для функционирования их архитектуры х86, в большинстве реальных задач, проигрывает набору инструкций RISC, применяемый в ARM процессорах, и он должен быть модернизирован в сторону конкурента. По истечению 30 лет работы над ошибками два ИТ-гиганта смогли добиться результата при котором оставшись формально правообладателями и единственными производителями процессоров х86, фактически, оптимизировали исполнение инструкций внутри процессора по образу и подобию конкурента на RISC.

В 1992 году Apple презентовала инновационный продукт, планшет под управлением ARM процессоров Newton. Хотя сам по себе продукт оказался провальным для корпорации, процессорная архитектура зарекомендовала себя достойно и с тех времен все более широко стала использоваться в портативных гаджетах, став на данный момент абсолютным лидером. Лидером, однако не монополистом. В отличии от своих конкурентов компания ARM Limited обладающая правами на ARM, пошла по пути общедоступности, отказавшись от собственного монопольного производства ARM процессоров, британские учредители сделали архитектуру открытой для сторонних разработчиков и производителей. Продавая на нее права всем желающим компаниям, при этом сделав весьма гибкий прейскурант зависящий от конкретного функционала и количества выпускаемых партнерами процессоров, линейка ARM решений постепенно захватила целые направления в мире окружающих нас гаджетов.


А в это время на просторах СНГ все еще дрались за шанс половить яйца на Электроника ИМ-02

В 2012 году компания Microsoft осуществила хорошую попытку выйти на рынок ПК со своим новым продуктом Surface. Ноутбук трансформирующийся в планшет был создан на базе процессора ARM и должен был бросить вызов альянсу красно-синих на их территории. Забегая вперед можно констатировать, что и этот блин вышел комом, но что ж тогда вы спросите хорошего было в этой попытке? Дело в том, что в Microsoft учли ошибки прошлого и подошли к делу всесторонне.

Первой и самой главной проблемой первых ПК на базе всевозможных процессорных архитектур, на заре становления цифровой эры, являлась слабая программная поддержка. Простыми словами вы могли создать самый прелестный процессор с самой совершенной архитектурой, однако не имея за собой огромных капиталовложений в разработку и продвижение ПО на базе вашего продукта вы были обречены на забвение. Собственно это и случилось с Acorn Archimedes в 90-х. Тем более, что как конкурент х86 в конце концов была не так уж и плоха.

Имея солидный бюджет, а что еще не менее важно колоссальный опыт в разработке ПО, Microsoft решил, что в 2012 году мир готов к новым ПК. Имея за плечами опыт разработки ПО под мобильные ARM решения Windows Mobile, со всеми его потомками Windows Phone вплоть до Windows 10 Mobile, Surface так и не смог завоевать хоть сколько-либо видимой доли рынка. Попытки создать единую программную платформу для носимых гаджетов и ПК, покупка в 2011 году за 8,5 миллиардов долларов Skype, кооперация, а потом и покупка в 2014 году за 6 миллиардов долларов Nokia, сложно рассчитываемые инвестиции в сопутствующие сервисы типа OneDrive увенчались полнейшим фиаско Мелкомягких. Почему все эти титанические усилия оказался провальными вопрос довольно спорный. С одной стороны сумасшедшая инерция архитектуры х86, плюс посредственная производительность встраиваемых в Surface процессоров NVIDIA Tegra 3, в то время как автономность гаджета возрасла весьма незначительно, если сравнивать с конкурентами от Intel. С другой стороны был выбран не слишком удачный/новый процессор под систему, да и по отзывам пользователей откровенно плохая оптимизация ПО под железо превращала работу с ним в перманентное мучение, очевидно это был сырой продукт.


А ведь идея была хорошая

Apple третий переход


Объявленная на крайней презентации Apple революция, с переходом MacBook на процессоры новой архитектуры, для корпорации стала действительно революцией, хотя и не первой. Даже тот факт, что в Купертино уже более 10 лет используют ARM архитектуру в процессорах для своих мобильных устройствах не умиляет размера события. Почему для радужных это действительно революция становится понятным если взглянуть на ту модель бизнеса которую исповедуют радужные. Apple это не про гаражные поделки на коленке, компания реализует комплексные решения на базе собственной экосистемы. Если в 1994 году уход от процессоров IBM на новую перспективную архитектуру PowerPC был еще достаточно рядовым событием, не столь травмирующим приверженцев бренда, то в 2005 году выбор в пользу процессоров от Intel стал уже настоящим вызовом и проверкой на прочность самой компании. Смягчить переход помог разработанный в строжайшей секретности программный комплекс Rosetta по сути динамический транслятор бинарного кода, позволяющий на лету преобразовывать код приложений PowerPC для работы под Intel. Это решение позволило адаптировать и легко использовать программы изначально не совместимые с новой системой.


Гладко было на бумаге, да забыли про овраги

Озвученный третий переход на новую ARM архитектуру в нынешнем 2020 году очевидно станет еще тем квестом, в чем уверен мы с вами еще не раз убедимся, однако встроенный в новую ОС эмулятор Rosseta 2, в теории, должен решить большинство проблем связанных с использованием не адаптированного ПО под новые радужные процессоры. Хотя позитивный опыт предыдущего перехода и вселяет оптимизм, однако уже сейчас понятно, что новым процессорам M1 ближайший год-два придется вывозить на себе все тягости и лишения переходного периода пока App store не обзаведется достойным набором приложений под новую архитектуру.

Выводы


Презентация новых процессоров от Apple, это однозначно то не многое из позитива который принес нам незабвенный 2020 год. Возможно еще не все оценили масштаб данного события, однако со временем его размер будет становится все более очевидным. Фактически в 2020 году мы получили третьего полноценного игрока на рынке высокопродуктивной процессорной техники, который неоднократно показывал присутствие необходимых знаний и умений добиваться успеха в поставленных задачах. Ближайшие несколько лет станут несомненно решающими не только для Apple, с их ва-банком на ARM, но и явно подпортят кровь так крепко обосновавшимся на ниве производства процессоров компаниям Intel и AMD.

Уже сейчас мы видим как MacBook с номинально более производительным и энергоэффективным М1 стоит дешевле идентичного аппарата на процесcоре Intel i5. Неужели на смену внутрикланновой конкуренции наконец-то придет настоящая борьба за клиента? Клиента у которого наконец-то появится альтернатива застойным тик-так-так-так инновационным процессорам из 2014 года от Intel и изделиям от их заграничного филиала AMD с порою откровенно сырыми, не оптимизированными продуктами. Я уверен не мало профессиональных комментаторов с легкостью расставят точки над I в этой не такой уж простой, как казалось бы на первый взгляд, теме. Всем же остальным предлагаю запастись попкорном и наблюдать за тем куда нас приведет кривая дорога технического прогресса.



Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Перевод Обзор материнской платы Supermicro C9Z490-PGW

24.12.2020 14:22:40 | Автор: admin
Supermicro известная компания, сфокусированная на производстве высококачественных решений для серверов зачастую презентует небольшое количество потребительских материнских плат с дополнительными комплектующими, чего не встретишь у других поставщиков. На этот раз в Supermicro C9Z490-PGW используется микросхема PLX, которая позволяет плате работать с двумя слотами PCIe 3.0 x16 или четырьмя слотами PCIe 3.0 x8. Такая комбинация из двух слотов PCIe 3.0 x4 M.2 на чипсете, 10-гигабитного контроллера Ethernet и интерфейса Wi-Fi 6 делает C9Z490-PGW универсальной материнской платой для широкого круга пользователей.



Обзор Supermicro C9Z490-PGW


Supermicro один из самых узнаваемых брендов на рынке серверов и рабочих станций. Тем не менее уже в обзоре C9Z390-PGW наблюдается тенденция Supermicro к внедрению серверного ДНК в свои десктопные продукты. Разница между Z390 и Z490 не так велика, как могла бы быть, главное свойство заключается в поддержке сети: встроенный MAC-адрес Wi-Fi 6 позволяет использовать модули CNVi. Для запуска процессоров Intel Comet Lake 10-го поколения Supermicro представила пару моделей Z490, C9Z490-PG и C9Z490-PGW, с той лишь разницей, что PGW поставляется с интерфейсом Wi-Fi 6, а PG нет.

Supermicro C9Z490-PGW можно по праву считать одной из самых уникальных моделей Z490: в ней удачное сочетание не только оригинального серверного дизайна, но и наличие интересного набора функций характерных для премиум-класса. Серия материнских плат SuperO от Supermicro это серверное качество в стандартной ориентированной на потребителя модели. Немного коснемся дизайна C9Z490-PGW. Смесь черного и серебристого создает стильную двухцветную тему: черные цельные алюминиевые радиаторы и металлическое усиление SuperO на слотах памяти и PCIe. В C9Z490-PGW отсутствует встроенная светодиодная подсветка RGB.

Важной особенностью является наличие коммутатора PLX, обеспечивающего 32 линии PCIe 3.0 на этой материнской плате. Во времена платформы Z77 использование коммутаторов PLX на мейнстрим материнских платах было обычным явлением, которое позже отошло на второй план из-за возросшей стоимости (была продана компания, производившая эти коммутаторы). С таким свичем плата может поддерживать две карты расширения x16 / x16 или четыре карты с x8 / x8 / x8 / x8, PCIe 3.0. Это открывает ряд возможностей для пользователей, которые хотели бы например включить в систему хранения Comet Lake RAID-контроллеры. Чтобы получить такое количество полос, в противном случае потребовалась бы другая платформа, хай-енд десктоп, или Xeon. Помимо линий PCIe, имеется два слота PCIe 3.0 x4 M.2 с четырьмя доступными портами SATA, поддерживающими массивы RAID 0, 1, 5 и 10 и сетевое соединение через 10-гигабитный контроллер Ethernet; Wi-Fi 6 с дополнительной поддержкой устройств BT 5.1. Кроме того есть встроенная звуковая HD карта премиум класса c множеством USB-портов; что касается оперативной памяти выбор отдан в пользу DDR4-4000 емкостью до 128 ГБ.

Во время нашего тестирования мы увидели ожидаемый уровень производительности, соответствующий производительности платы с настройками питания Intel по умолчанию. Дефолтно платы Supermicro работают со строгими настройками Intel, тогда как потребительские материнские платы более свободны от предложений Intel в отношении ограничений мощности и уровней турбо. Если принять это во внимание, C9Z490-PGW показала себя конкурентноспособной, в сравнении с ASUS ROG Maximus XII Hero WiF. Правда производительность была немного ниже, чем у других моделей Z490, в которых по умолчанию включены функции многоядерного расширения. Наши системные тесты показали, что энергопотребление заметно выше, чем у других тестируемых моделей, что вполне прогнозировано из-за PLX чипа. Более длительное время POST, чем у других моделей Z490 характерно для плат Supermicro. Изначально показатель производительности задержки DPC по умолчанию не был слишком крут, но все же вписался в пределы приемлемости.



Разгон C9Z490-PGW оказался не таким простым, как могло показаться на первый взгляд. Даже с грамотной 8+2 фазной подачей питания, прошивка ограничивает возможности. Единственный способ заметно повысить производительность вручную отрегулировать пределы мощности PL1 и PL2 в BIOS. Без этих настроек мы не увидели бы реальной пользы от разгона нашего Core i7-10700K, даже при разгоне до 5,1 ГГц. Мы наблюдали тепловое дросселирование на частоте 5,2 ГГц, и, к сожалению, VDroop Control на плате довольно слабый, при более высокой нагрузке CPU VCore, чем установлено в BIOS. Это придало хаотичный характер нашим тестам энергопотребления при разгоне. Во время теплового тестирования мы заметили, что VRM довольно сильно нагрелись, а сокет центрального процессора был намного горячее, чем должно быть, особенно если говорить о модели ATX.

Изначально на Supermicro C9Z490-PGW была заявлена рекомендованная розничная цена в 395 долларов, но сейчас ее можно купить в Newegg всего за 360 долларов. Выходит, модель конкурирует с ASRock Z490 Taichi (370 долларов), GIGABYTE Z490 Aorus Master (389 долларов) и ASUS ROG Maximus XII Hero (399 долларов), но при этом Supermicro отличается использованием в ней микросхемы PLX. Что ж, Supermicro C9Z490-PGW это материнская плата немного другого типа, но с маркетинговой стратегией, ориентированной на игровой рынок, при этом без некоторых востребованных игровых функций, таких как RGB. Это надежная плата с солидным набором функций, правда SuperO не так известен, как другие игровые бренды, типа Aorus или ROG.

Визуальный осмотр


Как упоминалось выше, Supermicro более известна производством профессиональных рабочих станций и материнских плат серверного уровня, отражение дизайна компании во внешнем виде C9Z490-PGW. Во-первых, отсутствует встроенная светодиодная RGB-подсветка. В модели Z490 под маркой SuperO черные радиаторы на матовой черной печатной плате удачно играют на контрасте с серебряно металлическим обрамлением на PCIe 3.0 и слотах памяти. Логотип SuperO на пластиковой крышке задней панели светится белым светом, такое решение делает модель одной из наименее блистательных Z490 премиум-класса на рынке. Вместо этого Supermicro полагается на свой широкий набор функций, а пользователям, которые в поиске изюминок, наверняка прийдется по нраву данная модель.


Микросхема Broadcom PEX8747 PLX на C9Z490-PGW

Главной изюминкой Supermicro C9Z490-PGW остаются четыре полноразмерных слота PCIe 3.0. Используется микросхема Broadcom PEX8747 PLX. Микросхема PLX по существу мультиплексирует дорожки ЦП, обеспечивая до 32 полос в четырех полноразмерных слотах. Они могут работать либо на x16 / x0 / x16 / x0, либо на x8 / x8 / x8 / x8. Это дает дополнительные возможности расширения с помощью контроллеров RAID, дополнительных карт FPGA PCIe, вычислительных карт, а также дополнительных сетевых контроллеров. В середине каждой пары полноразмерных слотов находится по одному слоту PCIe 3.0 x1.



Под хранилище имеется пара слотов PCIe 3.0 x4 / SATA M.2, причем верхний слот поддерживает накопители форм фактора М.2 2280, а второй слот М.2 22110. Несмотря на то, что чипсет Z490 поддерживает до шести собственных портов SATA, Supermicro использует только четыре из них. Четыре порта SATA включают поддержку массивов RAID 0, 1, 5 и 10. Официально заявлена поддержка памяти DDR4-4000, что является ограничением по сравнению с другими моделями Z490. Четыре слота памяти поддерживают максимальную емкость до 128 ГБ, содержат металлическое армированное усиление SuperO с поддержкой двухканальной памяти.



В правом нижнем углу расположен двухцифровой LED-индикатор отладки, который помогает диагностировать POST проблемы. Наряду с индикатором в диагностике помогает внутренний динамик обычное явление для плат Supermicro который издает звуковой сигнал при POSTинге и отдельный звуковой сигнал при возникновении определенной проблемы. В C9Z490-PGW нестандартная передняя панель под заголовок в виде четырехугольника с наклонными углами. На плате есть шесть 4-контактных разъемов под охлаждение, два из которых предназначены для кулеров процессора, один для водяного насоса и три для кулеров корпуса.



Что же касается энергоснабжения, то здесь используется 10-фазная схема, в цепи питания ШИМ-контроллер Infineon XDPE12284C, работающий в конфигурации 8+2. Плата оснащена силовыми каскадами Infineon TDA21490 для CPU, каждый способный выдерживать ток 90 А, и каскадами Infineon TDA21535 с чуть более низкими характеристиками для SoC. При таком энергоснабжении потребляемая процессором мощность может максимально достичь 720А, хотя используется только один 8-контактный разъем питания 12 В ATX. В теории этого более чем достаточно, чтобы довести Intel Core i9-10900K до своих пределов.



Благодаря паре радиаторов происходит охлаждение источника питания, при этом радиаторы не соединены тепловой трубкой, как другие модели премиум-класса. Верх обоих радиаторов алюминиевый, но при большой площади поверхности (с ребрами для направления воздушного потока) они весят немного. Выходит энергоснабжение в значительной степени зависит от хорошо организованного пассивного управления воздушными потоками внутри корпуса.



В плате C9Z490-PGW используется аудиокодек Realtek ALC1220 HD для питания как аудиоразъемов на задней панели, так и аудиоразъема на передней панели. Аудио область отделена от остальных контроллеров платы, хотя и не изолирована от электромагнитных помех (EMI) специальным антишумовым экраном.



Что в коробке




В комплект входят четыре кабеля SATA, краткое справочное руководство, две антенны для адаптера Intel AX201 Wi-Fi 6. Имеется набор винтов для сборки M.2, наклейка для разметки кабелей и установочный диск с драйверами и программным обеспечением, защитная задняя панель I/O.

BIOS


Как и многие другие производители, Supermicro практически не изменила дизайн прошивки с момента перехода Z390 на Z490. Используемый UEFI BIOS, очень похож на предыдущий C9Z390-PGW, C9Z490-PGW отличается лишь усложненным меню с новым набором опций для функции Thermal Velocity Boost (TVB) Comet Lake. Прошивка SuperO использует единый графический интерфейс, преимущественно в черной цветовой теме с элементами в оттенках серого и синего. Текст белый, а для обозначения выбранного варианта в данный момент темно синий. Меню настройки имеет два режима: Advanced, где доступны все возможные органы управления, и EZ Mode.



При первой загрузке BIOS пользователи будут встречены режимом EZ. Сверху вниз в EZ Mode размещена информация о версии прошивки BIOS, установленной на BIOS чипе емкостью 256 МБ, а также информация о процессоре, памяти и хранилище. Ниже пользователи могут выбрать между доступными наборами XMP 2.0 профилей: оверлокинг, включающий заводские настройки, OC mode, и auto-tuning (дает плате возможность разгонять процессор на основе параметров, установленных в прошивке).



Наиболее важные настройки платы для максимизации производительности находятся в настройках конфигураций TDP. Здесь пользователи могут настроить параметры ограничения мощности, которые по умолчанию установлены в соответствии со спецификациями Intel. То есть, когда процессор установлен на C9Z490-PGW, он работает в соответствии с рекомендациями Intel без какого-либо вмешательства в PL или Tau. Приведенные ограничения Intel носят лишь рекомендательный характер, плата по сути более чем способна обеспечить выигрыш в производительности путем разгона, последнее слово остается за выбором самого пользователя.

Далее идут настройки для разгона комплектующих: частоты процессора для всех ядер или для каждого ядра отдельно; BCLK; элементы управления значимых напряжений VCore процессора, CPU PLL, VSCIO. В целом прошивка выглядит аккуратно, есть утилита для настройки рабочего профиля кулера.

Программное обеспечение


Единственное ПО, поставляемое с C9Z490-PGW, это утилита SuperOBooster. Для аудиокодека ALC1220 HD прилагается программное обеспечение Realtek Audio HD Manager. Это позволяет юзерам настраивать параметры звука и добавлять эффекты, напоминающие о временах Windows XP.



Пользователи могут кастомизировать настройки профиля кулера на вкладке Thermal. Последняя вкладка позволяет пользователям обновить прошивку до последней версии, доступной для загрузки с серверов Supermicro.



Особенности платы


Supermicro C9Z490-PGW это материнская плата ATX с набором контроллеров премиум-класса, с чипом Broadcom PEX8747 PLX. Микросхема PLX допускает мультиплексирование, что означает четыре полноразмерных слота PCIe 3.0, которые могут работать на x16 / x0 / x16 / x0 или x8 / x8 / x8 / x8. Плата включает в себя слот PCIe 3.0 x1, пару слотов PCIe 3.0 / SATA M.2 и четыре порта SATA с поддержкой массивов RAID 0, 1, 5 и 10. Официально C9Z490-PGW идет с DDR4-4000 UDIMM с максимальной емкостью до 128 ГБ, поддерживаемую в четырех слотах памяти. Для охлаждения на плате есть шесть 4-контактных разъема: два под вентиляторы процессора, три под вентиляторы корпуса и один отдельный разъем под водяные насосы.




Задняя панель премиальной модели Z490 является одной из самых скудных панелей под USB, которые мы когда-либо видели: всего один порт USB 3.2 G2x2 Type-C, два порта USB 3.2 G2 Type-A и два порта USB 3.2 G1 Type-A. С помощью USB header пользователи могут заполучить еще один порт USB 3.2 G2 Type-C, два порта USB 3.2 G1 Type-A и четыре порта USB 2.0. Есть два видеовыхода DisplayPort 1.4 и HDMI 2.0a, с пятью аудиоразъемами 3,5 мм и оптический выход S / PDIF с питанием от аудиокодека Realtek ALC1220 HD. C9Z490-PGW включает интерфейс Intel AX201 Wi-Fi 6, наличие которого является единственным отличием от более дешевой модели C9Z490-PG. Плата оснащена контроллером премиум-класса Aquantia AQC107 10 GbE и сетевым гигабитным адаптером PHY Intel I219-V.

Испытательный стенд


В соответствии с нашей политикой тестирования мы берем хай-энд процессор, подходящий для материнской платы, выпущенной во время первого запуска сокета, и оснащаем систему максимальным доступным объемом памяти, работающей на максимальной поддерживаемой частоте. Также, как правило, мы тестируем плату на сабтаймингах JEDEC, если это возможно. Следует отметить, что некоторые пользователи не согласны с такой политикой, утверждая, что иногда максимальная поддерживаемая частота является весьма низкой, или что доступна более быстрая память по сходной цене, или что скорости JEDEC могут ограничивать производительность.

Хотя эти комментарии имеют смысл, в конечном итоге очень редкие пользователи применяют профили памяти (XMP или другие), поскольку для этого требуется взаимодействие с BIOS, а остальные будут использовать поддерживаемые JEDEC скорости. Это касается как домашних пользователей, так и производителей, которые могут захотеть сэкономить пару центов от стоимости, или постараются остаться в пределах, установленных производителем. Где это возможно, мы расширим тестирование, включив более быстрые модули памяти одновременно с обзором или позднее.



Читатели наших обзоров материнских плат могли заметить тенденцию в современных материнских платах реализовывать опцию MultiCore Enhancement / Acceleration / Turbo. У разных производителей она называлась по-разному, но смысл был один при ее включении снимался лимит по TDP (тепловой пакет) процессоров и они могли увеличивать частоты Turbo Boost до максимальных значений даже если превышали TDP. Наша методика тестирования является готовой, с последней общедоступной версией BIOS с установленным XMP.



Производительность системы


Не все материнские платы созданы равными. На первый взгляд, все они должны работать одинаково и различаться только предоставляемой функциональностью, однако это далеко не так. Очевидными показателями являются энергопотребление, а также возможность производителя оптимизировать скорость USB, качество звука (на основе аудиокодека), время POST и задержки. Эти показатели могут уходить корнями к производственному процессу и должны быть протестированы.

Для Z490 мы используем Windows 10 версии 1909 для компьютеров на базе x64.

Потребляемая мощность


Потребление энергии проверялось на системе с одним графическим процессором MSI GTX 1080 серии Gaming, со счётчиком электрической энергии, подключённым к источнику питания. Этот блок питания имеет ~ 75% КПД> 50 Вт и 90% + КПД при 250 Вт, что подходит нам как для режима простоя, так и для использования под нагрузкой нескольких видеокарт. Такой метод считывания мощности позволяет оценивать управление питанием платы для поддержки работы компонентов под нагрузкой, и учитывает типичные потери из-за КПД блока питания. Это реальные значения потребления, которые потребители могут ожидать от типичной системы (не считая монитор), использующей эту материнскую плату.

Этот метод измерения мощности может быть не идеальным, и можно возразить, что результаты не соответствуют реальности из-за применения источника питания повышенной мощности (мы используем один и тот же блок питания в течение ряда обзоров, так как нам важна согласованность, а наш испытательный стенд иногда проходит тестирование с тремя или четырьмя мощными видеокартами), важно отметить соотношение между числами. Все эти материнские платы тестируются в одинаковых условиях, и поэтому различия между ними легко заметить.







По сравнению с другими моделями Z490, плата хорошо себя показала на длительных простоях, в режиме бездействия. В первую очередь из-за PLX и 10-гигабитного Ethernet на борту.

Non-UEFI POST Time


Разные материнские платы имеют разные последовательности POST до инициализации операционной системы. Многое из этого зависит от самой платы, а время загрузки POST определяется контроллерами на плате (и последовательностью организации загрузки). В рамках нашего тестирования мы оцениваем время загрузки POST с помощью секундомера. Это время от нажатия кнопки ON на компьютере до начала загрузки Windows. (Мы не учитываем загрузку Windows, поскольку она сильно варьируется, учитывая особенности операционной системы.)



Несмотря на то, что система Supermicro не является серверной платой для Xeon и в ней не реализована архитектура IPM, время POST у нее такое же как и у серверных плат. Частично это связано с микросхемой PLX; система может выполнять POST быстрее при авто определении тех же ЦП и DRAM как и при последнем включении, в то время как другие материнские платы будут проводить проверку каждый раз.

Задержка DPC (Deferred Procedure Call)


DPC это способ, которым Windows выполняет обработку прерываний. Чтобы дождаться, пока процессор подтвердит запрос, система ставит в очередь (по приоритету) все запросы на прерывание. Критические прерывания будут обрабатываться как можно скорее, в то время как запросы с меньшим приоритетом, такие как аудио, будут отложены еще дальше. Если аудиоустройству требуются данные, ему придется подождать, пока запрос будет обработан и произойдет заполнение буфера.

Если драйверы устройств с более высоким приоритетом в системе реализованы плохо, это может привести к задержкам в планировании запросов и увеличенному времени обработки. Это может привести к пустому аудиобуферу и характерным звуковым паузам и щелчкам. Средство проверки задержки DPC измеряет, сколько времени занимает обработка DPC из вызова драйвера. Чем ниже значение, тем лучше передача звука при меньших размерах буфера. Результаты измеряются в микросекундах.



Обычно показатель ниже 250 микросекунд это неплохо, однако очевиден тот факт, что в сравнении с другими производителями Supermicro по данному параметру проигрывает.

Производительность процессора, сокращенно


Для обзоров материнских плат мы используем сокращенное тестирования. Эти тесты обычно сосредотачиваются на том, использует ли материнская плата MultiCore Turbo (функция, позволяющая постоянно поддерживать максимальный турбо, давая преимущество в частоте), или если есть некоторые преимущества от хорошей настройки прошивки. Мы настроили память согласно рекомендованным параметрам производителя процессора, что позволяет легко увидеть, на каких материнских платах по умолчанию включена MCT.

Для Z490 мы используем Windows 10 версии 1909 для компьютеров на базе x64.

Обновление: примечание о Z490 и Turbo


Во время тестов материнских плат мы стараемся оставить как можно больше настроек по умолчанию, ведь работа при дефолтных настройках как ничто иное демонстрирует отличие одной материнской платы от другой. Кроме того, такой подход нацелен и на не-энтузиастов, которые не осмеливаются войти в BIOS или даже не имеют желания и времени разобраться, что же такое турбо-режим, процессор или каналы памяти.

В то время как большинство поставщиков вносят коррективы в рекомендации Intel в отношении ограничений мощности и турбо, Supermicro, наоборот, строго их придерживается.

Rendering Blender 2.7b: 3D Creation Suite


Blender инструмент рендеринга высокого уровня с открытым исходным кодом, с огромным количеством возможностей настройки, используется многими известными анимационными студиями по всему миру. Недавно был релиз тестового пакета Blender, через пару недель после того, как мы сузили наш тест Blender для нового набора, однако их тест занимает более часа. Для наших результатов мы запускаем один из подтестов в этом наборе через командную строку стандартную сцену bmw27 в режиме только CPU, и измеряем время необходимое для завершения рендеринга.



Рендеринг POV-Ray 3.7.1: Ray Tracing


Persistence of Vision Ray Tracer, или POV-Ray, является бесплатным пакетом для, как следует из названия, трассировки лучей. Это чистый рендерер, а не программное обеспечение для моделирования, но последняя бета-версия содержит удобный тест для определения нагрузки на все потоки обработки на платформе. Мы использовали этот тест в обзорах материнских плат для проверки стабильности памяти на разных скоростях процессора: если тест пройден, IMC в процессоре считается стабильным для данной скорости процессора. В качестве теста ЦП он выполняется в течение 1-2 минут на высокопроизводительных платформах.



Рендеринг Crysis CPU Render


Один из наиболее часто используемых мемов в компьютерных играх " А сможет ли он запустить Crysis?/Can it run Crysis?. Игра 2007 года на движке Crytek была разработана немецкой студией Crytek, и провозглашена сложной с вычислительной точки зрения игрой, предназначенной для оборудования с завышенными системными требованиями для того времени. Через десять лет после релиза, запуск игры на современных графических процессорах не составляет большого труда. Применив ту же концепцию к чистому рендерингу CPU, проверим, может ли CPU рендерить Crysis? Ведь с появлением на рынке 64-ядерных процессоров можно и помечтать. Для этого мы и создали тест.



Для этого теста мы запускаем собственный тест GPU Crysis, но в режиме рендеринга CPU. Это тест на 2000 кадров, запускаем его на разрешении от 800x600 до 1920x1080. Ниже приведены результаты с разрешением 1080p.



Операции с плавающей запятой: 3D Movement Algorithm


3DPM это самописный эталонный тест, в котором применяются базовые алгоритмы трехмерного движения, используемые при моделировании Броуновского движения, и тестируется скорость их исполнения. Высокая производительность операций с плавающей запятой, MHz и IPC выигрывают в однопоточной версии, тогда как многопоточная версия масштабирует потоки и любит побольше ядер.



Производительность в играх


Для Z490 мы используем Windows 10 версии 1909 для компьютеров на базе x64.

Grand Theft Auto V


Долгожданная итерация франшизы Grand Theft Auto попала на полки 14 апреля 2015 года, и AMD, и NVIDIA приложили усилия для оптимизации игры. В GTA нет графических пресетов, но все же игра открывает новые возможности для пользователей и расширяет границы современной графики, нагружая даже самые мощные компьютеры до предела при помощи Advanced Game Engine от Rockstar под DirectX 11. Независимо от того, летает ли пользователь высоко в горах, где понадобится прорисовка мира на дальних дистанциях, или имеет дело с сортировкой мусора в городе, когда он сжимается до максимума, игра создает потрясающие визуальные эффекты, плюс напряженную работу как для процессора, так и для графической карты.



Для тестирования мы написали несколько скриптов для встроенного в игру бенчмарка. Внутренний бенчмарк включат пять сценариев: четыре коротких панорамных сцены с переменным освещением и погодными эффектами, плюс пятая последовательность действий продолжительностью около 90 секунд. Мы решили использовать только последнюю сцену, которая включает полет на реактивном самолете, затем поездку на автомобиле через город через несколько перекрестков, и в конце столкновение с бензовозом, который взрывается, как и автомобили вокруг него. Это отличное сочетание рендеринга дальних дистанций, за которым следуют действия с рендерингом на ближней дистанции. И к счастью, игра выдает все необходимые результаты тестов.





F1 2018


Помимо поддержания в актуальном состоянии мира гонок Формулы-1, F1 2017 добавила поддержку HDR, которую имеет и F1 2018. В противном случае мы бы увидели, как новые версии движка EGO от Codemasters прокладывают путь в F1. Заявляя свои права на хорошую графику, F1 2018 обеспечивает полезную графическую нагрузку в наших тестах.



Мы используем встроенный игровой тест, который запускается на трассе в Монреале на мокрой дороге, стартуя как Льюис Хэмилтон с последнего места на сетке. Данные принимаются за гонку на один круг.





Strange Brigade (DX12, Vulkan)


Strange Brigade переносит игрока в Египет 1903 года и следует за историей, которая очень похожа на историю серии фильмов Мумия. Этот типичный шутер от третьего лица разработан компанией Rebellion Developments, которая более известна благодаря играм серии Sniper Elite и Alien vs Predator. Игра следует идее охоты на Цетеки (воскресшая Королева Ведьм) в составе единственного отряда, который может в конечном счете остановить ее. Геймплей ориентирован на кооперативное прохождение, с широким арсеналом различных уровней и множеством головоломок, которые будет решать группа британских агентов колониальной секретной службы, чья цель положить конец царствованию варварства и жестокости.



Игра поддерживает как API DirectX 12, так и Vulkan API и содержит собственный встроенный тест, который предлагает различные варианты настроек, включая текстуры, сглаживание, отражения, расстояние отрисовки, и даже позволяет пользователям включать или отключать размытость изображения, окклюзию окружающего пространства, тесселяцию и прочее. Ранее AMD хвасталась тем, что Strange Brigade применяет собственную интеграцию Vulkan API, которая предполагает масштабируемость при использовании нескольких графических карт AMD на машине игрока.





Overclocking


Опыт с Supermicro C9Z490-PGW


Разгон с целью выжать столько свободной производительности насколько есть мочи сейчас не так востребован, как много лет назад. Ведь Intel и AMD уже проделали за нас тяжелую работу, все время работая над улучшением архитектуры ядра. Все усовершенствования касаются Turbo Boost для ускорения процессора, что обычно относится к одному или двум ядрам. Отлично подходит для однопоточных приложений, но для многопоточных приложений и рабочих нагрузок больше преимуществ можно получить при разгоне всех ядер.

Основные недостатки ручного разгона процессора до максимума это высокое тепловыделение и энергопотребление, которые можно свести на нет, применив премиум решения для охлаждения, такие как большие кулеры AIO. Следует учитывать параметр Intel Thermal Velocity Boost. Благодаря лучшим решениям для охлаждения процессоры Intel Comet Lake могут получить дополнительные 100 МГц сверх турбо, при условии, что процессор поддерживает температуру ниже 70 C. Горячий процессор вызывает тепловое дросселирование, что в свою очередь снижает производительность системы.



Работать с Supermicro C9Z490-PGW в целом было приятно. Прошивка содержит все настройки, связанные с разгоном, их можно найти во вкладке Overclocking в разделе Advanced, для этого необходимо нажать F7 и попасть в продвинутое меню.

Существует множество вариантов разгона ЦП, наиболее полезные для оверклокинга параметры CPU Core Ratio (коэффициент ядра ЦП), BCLK Frequency (позволяет изменять внутреннюю базовую частоту), изменение подаваемого на процессор напряжения.

В комплектациях, поддерживающих X.M.P 2.0, процесс разгона памяти прост, пользователю необходимо включить X.M.P. Для ручного разгона памяти есть опции по изменению частоты памяти, настройки таймингов, регулировка напряжения DRAM.



Лучший способ максимально выжать соки из процессора с C9Z490-PGW это поработать в меню конфигураций TDP. Плата работает с настройками Intel по умолчанию, ограничения PL1 и PL2 не позволяют C9Z490-PGW раскрыть свои возможности на полную мощь. Эти параметры можно найти во вкладке Overclocking в подменю Config TDP Configurations. Увеличив показатель PL1 на 125 Вт, заметно вырастет и производительность. В целом прошивка Supermicro SuperO проста в навигации и удобна.

Методика разгона


Наша стандартная методика разгона выглядит так: мы выбираем параметры автоматического разгона и тестируем стабильность с помощью POV-Ray и OCCT для имитации тяжелых рабочих нагрузок. Эти тесты стабильности направлены на выявление любых непосредственных ошибок памяти или процессора.

При ручном разгоне, который основан на информации, полученной в ходе предыдущего тестирования, система запускается при номинальном напряжении и множителе ЦП. После этого множитель увеличивается, пока тесты стабильности не будут провалены. Затем напряжение ЦП постепенно увеличивается до тех пор, пока тесты стабильности снова пройдут успешно. Процесс будет повторяться до тех пор, пока материнская плата не уменьшит множитель автоматически (по протоколу безопасности), или пока температура ЦП не достигнет недопустимо высокого уровня (105C +). Наш испытательный стенд находится не в корпусе, а значит, свежий (и прохладный) воздух окажет положительное влияние на наши эксперименты.



Supermicro C9Z490-PGW работает в соответствии со спецификацией Intel, а это сильно отражается не только в нашем наборе тестов, но и в нашем тестировании разгона.

Анализ энергопотребления


Методология тестирования


Мы проверяем показатели эффективности отвода тепла от источника питания и радиатора во время длительной работы при высокой нагрузке ЦП. Мы применяем разгон, который считается безопасным и максимально допустимым для процессора из нашего тестового стенда. Затем мы запускаем приложение Prime95 с включенным AVX2, в течение часа проводим тестирование в жестких условиях эксплуатации, при завышенных нагрузках. Мы собираем данные тремя разными способами, чтобы показать точные значения температуры:

  • с помощью тепловизора Flir Pro получаем тепловое изображения (с высоты птичьего полета, после часа тестирования)
  • с помощью двух датчиков, расположенных на задней части печатной платы, прямо под CPU VCore блока питания
  • проводим мониторинг температуры VRM при помощи приложения HWInfo



Для запитки Supermicro C9Z490-PGW используется 10-фазная подача питания, в цепи питания ШИМ-контроллер Infineon XDPE12284C, работающий в конфигурации 8+2. Плата оснащена силовыми каскадами Infineon TDA21490 для CPU, каждый способный выдерживать ток 90 А, и каскадами Infineon TDA21535 с чуть более низкими характеристиками для SoC. Для охлаждения есть пара алюминиевых радиаторов, причем больше внимания уделено площади поверхности радиаторов, чем их массе.



Показатели тепловых характеристик блока питания Supermicro C9Z490-PGW, не самые крутые. Несмотря на наличие большого двойного радиатора с пассивным охлаждением, он изо всех сил пытается справиться с нагревом при полной нагрузке при разгоне. Мы измерили показатели нашей пары термопар K-типа 78 C и 79 C соответственно; на плате нет встроенного термодатчика.

Наша тепловизионная камера зафиксировала температуру в 86,4 C в самой горячей части печатной платы вокруг области сокета процессора. Охлаждающие свойства радиатора на C9Z490-PGW не так эффективны, как у других протестированных нами моделей Z490 ATX.

Заключение


Supermicro в основном специализируется на выпуске x86-серверных платформ и различных комплектующих для серверов, рабочих станций и систем хранения данных. В прошлом году мы рассматривали Supermicro C9Z390-PGW, которая составила достойную конкуренцию другим моделям Z390. В этом году, после того как Intel представила свои процессоры Comet Lake 10-го поколения, Supermicro презентовала Z490 с аналогичным набором функций, как и у своего предшественника, почти за ту же цену. Supermicro, откидывая слоган Play Harder, плату Z490 продвигает под новым названием Ultimate HEDT Performance, и хотя сокет LGA1200 технически не является HEDT, он поддерживает Core i9-10900K с 10 ядрами и 20 потоками.

Особенностью Supermicro C9Z490-PGW является микросхема Broadcom PEX8747 PLX. Это позволяет мультиплексировать линии PCI от ЦП, получить дополнительные опции в отношении расширения PCIe. Есть четыре полноразмерных слота PCIe 3.0, которые можно использовать либо на x16 / / x16 / -, либо на x8 / x8 / x8 / x8. В свое время такое решение считалось надежным для соединения видеокарт NVIDIA по технологии 4-way SLI. Сегодня и NVIDIA, и AMD отходят от поддержки нескольких графических процессоров, вместо этого выбирают единственное надежное графическое решение.



В категорию премиум-класса C9Z490-PGW попадает благодаря:
надежному сетевому массиву во главе с контроллером Aquantia AQC107 10 GbE, гигабитному PHY Intel I219-V
интерфейсу Intel AX201 Wi-Fi 6, с поддержкой BT 5.1
встроенному аудиокодеку Realtek ALC1220 HD, который питает пять аудиоразъемов 3,5 мм и оптический выход S / PDIF на задней панели, аудиоразъем на передней панели.
наличию на задней панели порта USB 3.2 G2x2 Type-C, трех портов USB 3.2 G2 Type-A, одного USB 3.2 G2 Type-C, двух портов USB 3.2 G1 Type-A, а также DisplayPort 1.4 и HDMI. 2.0a

Если говорить о производительности, сразу становится очевидным, что Supermicro придерживается спецификаций Intel. Это несколько снижает производительность по сравнению с другими платами, если учитывать ограничения Intel PL1 и PL2. В наших системных тестах мы наблюдали более медленное, чем обычно, время POST для модели Z490 но это нормально для платы Supermicro. Стоит отметить, что энергопотребление приемлемо, но немного выше как по умолчанию, так и при разгоне из-за чипа PLX.

Supermicro C9Z490-PGW предлагает больше функциональных возможностей, чем другие модели Z490, в основном благодаря включению микросхемы PLX для мультиплексирования четырех полноразмерных слотов PCIe. Это самая дешевая модель Z490 с сетью 10 GbE за 395 долларов, следующая модель ASUS ROG Maximus XII Formula стоит 475 долларов. С этой точки зрения Supermicro C9Z490-PGW в целом представляет собой хороший пакет. Выходит, что пользователи, знакомые с настройкой параметров PL1 и PL2 Comet Lake, могут заполучить хорошую плату за разумные деньги.

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Перевод Retro Apple цифровая камера Quicktake100

27.12.2020 20:07:49 | Автор: admin
В 1994 году фотография была довольно трудоемким делом. Для начала необходимо было вставить пленку в катушку, либо картридж в камеру, потом только сделать фотографию и только догадываться как получился снимок. Что бы увидеть картинку нужно было достать пленку с фотоаппарата и либо просветить ее самостоятельно в темной комнате, либо отнести в специализированное место.

Компания Apple помогла цифровым камерам становится более популярными с 1994 года, и на картинке ниже мы можем увидеть то, что считается первым цифровым фотоаппаратом для массового использования: Apple QuickTake 100.

QuickTake 100 не была первой камерой для массового использования вышедшей на рынок; Fuji DS-X продавалась в Японии с конца 1989 года, в то время как Dycam Model 1 (продававшаяся как Logitech Fotoman) лежала на полках в магазинах США еще в ноябре 1990 года. Но QuickTake 100 была доступна в версиях как для Mac, так и для Windows и имела преимущество, что продавалась известной компанией.

image
QuickTake 100 ( слева) и iPhone 11 Max (справа)

Стоимость и факты


20 Июня, 1994 года QuickTake 100 была представлена на продажу, первоначальная цена была $749, что равносильно $1300 в 2020.

В то время технические характеристики камеры были революционными. Она имела максимальное разрешение 640 x 480 пикселей с 24-разрядной цветопередачей. На 1 МБ встроенной Flash-памяти c таким разрешением в камере могло хранится всего 8 фотографий. При более низком разрешении 320 x 240 пикселей можно было хранить 32 снимка.

image
Объектив с фиксированным фокусом слева. Оптический видоискатель и механизм для определения экспозиции в центре, вспышка справа

У QuickTake 100 был объектив с фиксированным фокусом, что давало ему угол обзора, равносильно 50-миллиметровому объективу на 35-миллиметровой камере. Не было ни зума, ни фокуса, но тем, кто хотел делать фотографии при плохом освещении повезло была встроенная вспышка.

Экспозиция выставлялась камерой. При низкой светочувствительности, эквивалентной ISO 85, выдержка составляла от 1/30 до 1/175 секунды, а диафрагма от f / 2,8 до f / 16. Вот пример фотографии в режиме высокого разрешения 640 x 480.

image
Гмхофманн 14:49 (CEST), 7 июня 2007 г.

В сравнению с современными цифровыми камерами (как автономными, так и встроенными в смартфоны и планшеты) эти характеристики не так уж и впечатляют. Возможности предварительного просмотра изображения на камере не было, как и возможности удалить только одну фотографию специальная кнопка корзина на задней панели камеры удаляла все фотографии на QuickTake 100.

image
Задняя сторона QuickTake 100 с дисплеем управления справа. Кнопка корзины находится в углублении в правом нижнем углу

Просмотр и хранение


Для просмотра фотографий пользователи подключили камеру к компьютеру Mac или Windows с помощью кабеля. Программа Apple QuickTake импортировала фотографии с камеры на компьютер и разрешила основное редактирование вращение, изменение размера и обрезку. Файлы хранились в фирменном формате QuickTake и могли быть экспортированы как PICT-файлы.

Следущая модель после 100 QuickTake 150 появился примерно 15 месяцев спустя, у новой модели использовали улучшенную технологию сжатия файлов для хранения до 16 самых качественных изображений. Цена QuickTake 150 была около 700 долларов и выглядела идентично своей предшественнице, но предлагала вдвое больше памяти и поддержку большего количества форматов изображений (даже PCX, для тех, кто ее помнит). Он включал в себя объектив для макросъемки, а также поддерживал ПК с Windows. Компания так же не оставили владельцев QT 100 в стороне, Apple выпустила обновление прошивки, которое по сути преобразовало его в QT 150.

В 1996 году Компания Apple выпустила QuickTake 200 со съемной 2-мегабайтной SmartMedia флэш-картой. QuickTake 200 стала больше похожей на настоящую цифровую камеру и даже появились 1,8-дюймовый цветной LCD-экранчик на задней панели для предварительного просмотра фотографий. Стоимость QuickTake 200 стала ниже ($600), но это снова ей не помогло, так как на рынке цифровых камер появлялось все больше продукции от конкурентов, Fujifilm, Nikon, Canon и Kodak.

image
QuickTake 200

image
Питание осуществлялось от трех батареек AA которых хватило ненадолго, даже если вы не использовали вспышку

В 1997-м когда на пост главы Apple был возвращен Стив Джобс, историю QuickTake закончилась.
Так, как на разработку с нуля у компании не было средств и камеры у конкурентов были лучше.

Личные воспоминания о QuickTake 100


Мой первый опыт использования QuickTake 100 был на конференции разработчиков Apple Worldwide Developers Conference в 1994 году. Камера была представлена в Токио на выставке MacWorld в феврале того же года, и во всех журналах Mac того времени она была на обложках. Так как камера не была выпущена для широкой публики в мае в мае, когда проходила Всемирная конференция разработчиков, я был в восторге, увидев её.

Apple и один из журналов того времени (я думаю, это был MacWorld) установили стенд, где они могли сфотографировать вас с помощью QuickTake 100, а затем сделать макет индивидуальной обложки журнала. Отличная идея, но реально это было ужасно. Загрузка изображений с камеры на компьютер Mac по (GeoPort) кабелю была ужасно медленной, поэтому 32 снимка 320 x 240 на компьютер Mac занимало много времени. Затем сотруднику Apple пришлось создавать обложку журнала и распечатывать её на QMS ColorScript Laser 1000 что также было довольно медленно. Думаю будет излишне говорить, что лишь относительно немногие из участников WWDC действительно получили одну из имитационных обложек журналов (мне повезло, что я был одним из первых в очереди).

image
Сдвижная дверца закрывает разъем внешнего питания и разъем для кабеля GeoPort

Я не покупал QuickTake 100, но через много лет камеру мне подарил племянник. Он учился в Массачусетском технологическом институте в качестве аспиранта около десяти лет назад, и ему дали доступ в комнату, полную старого оборудования, которое собирались выбросить. Одним из предметов под утилизацию была камера QuickTake 100, поэтому я попросил прислать мне.
Камера все еще работает, но есть одна проблема невозможно снять с нее фотографии. Полагаю, что я должен найти Mac середины 1990-х годов под управлением System 7 или System 8, найти серийный кабель Apple и программное обеспечение QuickTake, и дать ему ход

Текущие компьютеры Mac не поддерживают старый протокол Apple, и я уверен, что эмулятор Macintosh.js не сможет разговаривать с USB-разъемом.

image
Нижняя часть QuickTake 100 с этикеткой продукта и отверстием для крепления штатива

Есть еще одно приложение для Mac, которое может читать файлы формата PICT, созданные QuickTake 100. GraphicConverter от Lemkesoft существует уже давно и может конвертировать практически любой графический формат в другой.

Хотя в настоящее время это не более чем музейный экспонат, мне все же нравится гладкий дизайн QuickTake 100. Его легко держать двумя руками, а серый внешний вид был похож на Apple PowerBook того времени.

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Спасительный пазл механика экзоскелета дьявольского жука

30.10.2020 12:22:53 | Автор: admin


Ни для кого не секрет, что эволюция это крайне длительный, сложный и порой невероятно странный процесс. Стоит взглянуть на муравьеда, птичку киви или на утконоса, как сразу же начинаешь задумываться про чувство юмора матушки-природы. Однако любые адаптационные изменения, приобретенные в ходе эволюции, всегда имеют логическое объяснение и вполне практическое применение, какими бы странными на первый взгляд они ни казались. Ученые из университета Пердью (США) решили повнимательнее изучить необычного жука вида Nosoderma diabolicum, который способен выдерживать внушительное давление. В чем особенность строения жука-экстремала, насколько он вынослив, и как человек может использовать секреты жука в инженерии? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Прежде всего стоит познакомиться с главным героем сего исследования. Жук Nosoderma diabolicum (или Phloeodes diabolicus), также называемый дьявольский броненосный жук, что для самого жука, скорее всего, крайне обидно, принадлежит к семейству зофериды (Zopheridae). Обитает данный вид на западном побережье Северной Америки.


Nosoderma diabolicum

Внешний вид дьявольского жука и стал причиной столь нелестного имени. Обитая под корой лиственных и хвойных деревьев, они стараются всячески слиться с окружением. Ввиду этого их черный панцирь покрыт шероховатостями, придающими ему немного устрашающий вид. Кроме того, этот жук не только маскируется, но и в случае опасности притворяется мертвым.

Забыв про эстетику, можно уверенно сказать, что основной чертой, отличающей дьявольского жука от многих других насекомых, является отсутствие крыльев. Такое строение тела не было изначальным, а проявилось в ходе эволюции.

Подготовка к взлету божьей коровки.

Вспомните, как выглядит, например, божья коровка во время взлета. Ее крылья спрятаны под раскрывающимися элитрами (надкрыльями), которые являются частью прочного экзоскелета. У некоторых насекомых элитры в полете не участвуют, либо их летные функции крайне ограничены.

Но вот дьявольский жук-броненосец когда-то давным-давно решил избавиться от крыльев полностью. Логично, что в таком случае элитры ему больше не нужны, и они могли бы эволюционировать из двух частей в цельный панцирь без швов и стыков. Однако все произошло несколько иначе.

Результаты исследования


Чтобы оценить устойчивость P. diabolicus к внешним нагрузкам, которые могут возникнуть в его естественной среде обитания, были проведены испытания на сжатие всего его экзоскелета и сравнение максимальной прочности на сжатие с показателями других жуков, обитающих в регионе южной Калифорнии.


Изображение 1

Для сравнительного анализа были выбраны виды жуков, которые обладают схожими защитными механизмами как в структуре панциря (защита от давления и клевания), так и в поведении (танатоз мнимая смерть): Asbolus verrucosus, Eleodes grandicollis и Cryptoglossa muricata.

В начале сжатия P. diabolicus демонстрирует изменение жесткости с 115 Н/мм до 291 Н/мм при смещении 0.64 мм (1c). Разрушение панциря происходит при максимальной силе в 149 Н (среднее значение 133 16 Н). Эти показатели примерно в 39000 раз превышают вес его собственного тела. Для сравнения: взрослый человек, сжимающий большой и указательный пальцы вместе, создает силу в 43.0 18.4 Н.

Другие жуки, участвующие в опытах, смогли выдержать пиковую нагрузку не больше 68 Н, а отношение прочности к массе у них гораздо ниже, чем у дьявольского жука (вставка на ). Asbolus verrucosus показывал схожие с P. diabolicus результаты, но на середине процесса деформирования (т.е. при 50% от нагрузки) началось разрушение панциря.


Результаты тестов на сжатие.

Помимо микроструктурных, наномеханических и композиционных особенностей надкрылий (график и снимки выше), внутри экзоскелета дьявольского жука было обнаружено две важные особенности:

  • медиальный шов, который навсегда соединяет два надкрылья вместе (1e);
  • латеральные (боковые) интерфейсы, соединяющие надкрылья с брюшной кутикулой и поддерживающие их (1f).

На медиальном шве расположены необычные образования, напоминающие выступы на кусочках пазла (видео ниже).

Медиальный шов P. diabolicus, соединяющий два надкрылья.

Сравнение P. diabolicus с его летающими родственниками показало, что такие образовании необходимы для взлета и полета насекомого (1g).

Как мы уже знаем, жуки вида P. diabolicus предпочитают прятаться под корой, камнями или под слоем опавшей листвы. Это помогает им справляться с климатическими изменениями и избегать нежелательных встреч с потенциальными хищниками. Однако, когда тебя не видно, есть вероятность быть случайно раздавленным. Следовательно, жуки этого вида должны выдерживать внешнюю нагрузку, не повреждая свои внутренние органы ().


Изображение 2

Анализ дьявольского жука с помощью компьютерной томографии (КТ) выявил заполненную воздухом область под надкрыльями (субэлитральная полость), расположенную над брюшной полостью (черное пространство на 2a).


Сравнение макро- и микроструктур панциря у наземных и летающих жуков: P. diabolicus, A. verrucosus, C. muricata, E. grandicollis и T. dichotomus (по рядам сверху вниз).

Дальнейший анализ посредством КТ и СЭМ (сканирующий электронный микроскоп) показал наличие трех латеральных интерфейсных архитектур, которые обеспечивают поддержку надкрыльев над брюшной кутикулой: гребенчатые, защелкивающиеся и свободно расположенные элементы (2b). Также выяснилось, что эти элементы плавно сливаются друг с другом по всей длине тела (видео ниже).

Варианты латеральных интерфейсов, соединяющих надкрылья с брюшной кутикулой у P. diabolicus.

Моделирование всего экзоскелета P. diabolicus при сжатии предполагает, что напряжение сконцентрировано по периметру кутикулы, при этом нагрузка передается на брюшную часть через первый и второй типы латеральной поддержки, описанные выше.


Модель экзоскелета дьявольского жука во время сжатия, созданная методом конечных элементов.

Практические опыты на сжатие и моделирование (изображение выше) изолированных секций панциря демонстрируют вариации жесткости и максимального смещения между опорами ( и 2d).

Первая опора включает почти полное шовное пересечение, соединяющее надкрылья с брюшной кутикулой и показывающее наиболее жесткую механическую реакцию. Этот высоко интегрированный сустав обеспечивает максимальную защиту грудной клетки и жизненно важных органов, формируя неподвижную опору у основания дугообразных надкрылий, чтобы противостоять изгибающим моментам.

Механические испытания и компьютерная томография подтвердили, что максимальное смещение поперечного сечения до разрушения пропорционально высоте субэлитральной полости.

Вторая опора включает фиксирующую конструкцию, которая блокируется при сжатии, позволяя выдержать смещение на 40% больше при минимальном напряжении на интерфейсе (2c).

При более внимательном рассмотрении поверхности интерфейсов был обнаружен обширный массив стержневидных элементов (микротрихии) размером 2х2 мкм (2b). Подобно волосковидным выступам, которые летающие жуки используют для удержания своих крыльев, микротрихии у дьявольских жуков имеют меньшее соотношение сторон (1:1 против 1:5 у летающих жуков) и, вероятно, обеспечивают фрикционный захват для предотвращения скольжения во время нагрузки.

В случае, когда нагрузки нет, вторая опора (задняя область надкрылий) не имеет никакой механической связи между надкрыльями и брюшной кутикулой.

Двумерные модели поперечного сечения кутикулы в различных местах боковой опоры при сжимающей нагрузке показывают, что напряжение на любой из боковых поверхностей интерфейса более чем на порядок ниже, чем в медиальных швах (2d). Трехмерная модель кутикулы под сжимающей нагрузкой подтверждает, что напряжение существенно падает на боковых опорах для отдельно расположенных опор по сравнению с встречно-гребенчатой опоры.

Данные наблюдения могут свидетельствовать о том, что отдельные и взаимосвязанные опоры обеспечивают отклонение надкрылий и, следовательно, увеличивают поглощение энергии во время сжатия. Таким образом обеспечивается повышение податливости (антипод жесткости). А встречно-гребенчатые опоры в этот момент увеличивают жесткость. Другими словами, в разных участках тела жука имеются разные по функционалу опоры, которые в совокупности позволяют защитить внутренние органы насекомого во время сжатия.

Самой же любопытной частью экзоскелета дьявольского жука с точки зрения защиты является медиальный шов. Данный элемент является результатом того, что жук в ходе эволюции из летающего превратится в наземного. Медиальный шов обеспечивают механическое соединение его надкрылий ().


Изображение 3

Жуки других видов также имеют подобные образования, предотвращающие разделение надкрылий. Однако у дьявольского жука медиальный шов все же отличается от остальных.

Моделирование экзоскелета P. diabolicus показало относительно однородное распределение напряжения по шву из-за его эллиптической геометрии и количества соединений (3b). У других же видов в этих областях наоборот наблюдалось повышенное напряжение, особенно в местах контакта встречно-гребенчатых структур.

Геометрический анализ элементов шва (зубцов, напоминающих элементы пазла, которые необходимы для соединения кусочков) P. diabolicus показал соотношение 1.8:1 между большой полуосью (b) и точкой фокусировки (a), при этом первичная геометрия каждого элемента параметрически представлена в виде трех идентичных эллипсов, соединенных друг с другом на расстоянии под определенным углом (3c). Угол контакта между эллипсами составляет 25, что дает механическую блокировку, которая предотвращает разделение надкрылий при растяжении. Кроме того, равномерное распределение напряжений на интерфейсе лопаток панциря увеличивает максимальную жесткость на растяжение и сдвиг, а также прочность и вязкость разрушения.

Из этих данных следует, что пазлообразная структура медиального шва, эллиптическая геометрия его элементов, а также их количество в совокупности позволяют равномерно распределять напряжение и предотвращают разрыв между механически блокируемыми элементами.

Опыты на растяжение образцов, напечатанных на 3D-принтере, и соответствующее моделирование выявили линейную зависимость между количеством зубцов и повышенной жесткостью, и между ударной вязкостью и нормализованной пиковой нагрузкой медиального шва.

Увеличение количества зубцов приводит к более равномерному распределению неупругой деформации. За счет этого соединенные надкрылья, хоть и являющиеся отдельными частями, по своим свойствам напоминают однородный материал (3d).

Более тщательный анализ показал, что максимальная прочность наблюдается у швов с двумя зубцами, тогда как максимальная жесткость наблюдается у образцов с пятью, а пиковая нагрузка с четырьмя зубцами (3e). Чем меньше задействовано зубцов, тем меньше концентрация неупругих деформаций на шейке зубца (зауженная область зубца у его основания). Такое неупругое распределение деформации может объяснить переход от пластичного разрушения (вырывание с повреждением вокруг зубцов) к хрупкому разрушению (разрушение в области шейки) при увеличении количества зубцов или при уменьшении их размера.


Изображение 4

Далее были рассмотрены различные микроструктурные эффекты, связанные с медиальным швом.

При более внимательном рассмотрении поперечных сечений медиального шва (4a) была выявлена многослойная архитектура, которая при растягивающей нагрузке показывает разрушение матрицы, указывая на локальное расслоение (4b). Контрастная визуализация показывает степень расслоения зубцов, что свидетельствует о снятии напряжения (4c). При увеличении деформации наблюдается значительное расслоение с разделением волокон между слоями (желтые стрелки на 4d).

В отличие от однородных материалов, которые обычно ломаются в области зубца или самого тонкого элемента, микроструктура внутри зубцов дьявольского жука обеспечивает значительное снятие напряжения и рассеивание энергии, предотвращая разрушение шейки зубца.

Для лучшего понимания микроструктурных особенностей геометрии зубцов были созданы три модели пазла с различными значениями угла (15, 25 и 50).

Во всех трех случаях первичные соотношения сторон эллипсов постоянны и равны 1.8:1, а зубцы, напечатанные на 3D-принтере, имеют многослойную архитектуру, имитирующую таковую у дьявольского жука.

Зубцы с углом 25 продемонстрировали более высокие нормированные значения пиковой нагрузки и ударной вязкости (4e). Подобное наблюдалось и при 15, однако при увеличении угла до 25 (как у дьявольского жука) возникает значительная деформация с последующим отслаиванием с последующим вырыванием.

Дальнейшие эксперименты на растяжение и моделирование методом конечных элементов выявили распределение деформации, и подтвердили наличие расслоения между слоями зубца перед вытягиванием волокон (4f).

Наконец, у сильно изогнутого зубца ( = 50) наблюдается значительная деформация шейки, за которой следует перелом (без видимого отслоения).

Эти данные говорят о наличии конкурирующих механизмов. С одной стороны мы имеем эллиптическую геометрию, которая обеспечивает максимальное сцепление и прочность шва. С другой расслоение зубцов, предотвращающее локальные напряжения, которые могут вызвать разрушение шейки зубца.

Вывод заключается в том, что тип механического соединения на медиальном шве дьявольского жука обеспечивает надежное соединение надкрылий и более предсказуемый отказ в случае деформации, чем у других жуков.

На заключительном этапе исследования ученые решили применить полученные знания и создать биомиметические композитные аналоги медиального шва дьявольского жука. Полученные образцы тестировали и сравнивали с полимерной нитью, зубцами на полимерной основе и со стандартной аэрокосмической конструкцией Hi-Lok, которая используется для соединения, например, конструкций из алюминиево-углеродного композита.


Примеры Hi-Lok креплений.

Оценка распределения деформации, прочности и рассеивания энергии (4g) показала, что композитные зубцы, имитирующие шовный материал жука, немного прочнее (около 19 1.08 МПа), чем современные инженерные крепежные детали (около 18 0.73 МПа). При этом они демонстрируют существенное увеличение (более чем 100%) рассеяния энергии во время смещения (158.0 30.4 МПа/мм против 76.5 1.4 МПа/мм).

У дьявольского жука наблюдается равномерное распределение напряжения внутри зубца (4h), с локальным отслаиванием, позволяющим избежать разрушения шейки, которое происходит в обоих контрольных образцах (то есть в углеродной нити и зубцах на основе полимера).

Крепеж Hi-Lok демонстрирует локальное распределение деформации вокруг штифтового соединения и приводит к выходу из строя и разъединению пластин. Однако слоистая микроструктура внутри композитного зубца демонстрирует более постепенное разрушение, поскольку расслоение внутри лезвия заставляет шейку структуры расширяться в поперечном направлении, блокируя структуру вместо разрушения или сужения/удлинения до разрушения.

Авторы исследования рассказывают о своих находках.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


С точки зрения науки, природа всегда была вдохновением для человечества. Множество даже самых современных технологий тем или иным образом берут свое начало из чего-то, что встречается в природе.

В данном труде ученые изучили экзоскелет дьявольского жука, которого с уверенностью можно назвать одним из самых живучих насекомых планеты. В ходе эволюции, отказавшись от умения летать, этот жук не просто лишился крыльев, но преобразовал надкрылья в сложную структуру, оснащенную механическими компонентами и продуманной микроструктурой. Надкрылья соединены между собой зубцами, как кусочки пазла, что обеспечивает повышение прочности и сопротивления сжатию.

Для человечества это открытие имеет не только интеллектуальную ценность, но и практическое применение. Тесты с искусственными аналогами медиального шва дьявольского жука, сделанными из композитных материалов, показали, что их свойства превосходят таковые даже у крепежной системы Hi-Lok, которая используется в современной космонавтике.

Иногда можно услышать фразу: что бы вы не делали, природа это уже сделала, причем лучше. Учитывая исследования, подобные рассмотренному нами сегодня, начинаешь верить этому высказыванию все больше и больше.

Пятничный офф-топ:
К числу необычных насекомых можно без сомнения причислить и дровосека-титана. Этот жук, обитающий в джунглях Амазонки, может вырастать до 17 см в длину. Настоящий кошмар для тех, кто страдает инсектофобией.

Офф-топ 2.0:
Мимикрия, танатоз и прочный экзоскелет это не единственные методы защиты среди насекомых. Многие из них используют самое настоящее химическое оружие, способное отпугнуть назойливого хищника или помочь в охоте на добычу.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Скатерть-детектив распознавание объектов за счет измерений емкости

04.11.2020 12:10:51 | Автор: admin


Мир, окружающий нас, весьма материальный, как бы мы ни относились к этому. Каждый день к нам в руки попадают десятки разных предметов: от кухонных принадлежностей и столовых приборов до продуктов питания и личных вещей. Некоторые из этих вещей имеют свойство прятаться от нас на самом видном месте. Забыть ключи на столе или телефон на прикроватной тумбе это не редкость. Это раздражающее событие, видимо, и послужило вдохновением для ученых из Дартмутского колледжа, которые разработали ткань, способную определять, что на ней лежит. Из чего сделана чудо-скатерть, каков принцип ее работы, и что еще она умеет, кроме поиска потерянных ключей? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Авторы исследования отмечают, что существующие на данный момент интерактивные ткани работают по крайне ограниченному принципу. Да, они позволяют преобразовывать повседневные предметы в чудеса электроники, однако им недостает свободы. Суть в том, что метод считывания данных, присущий этим тканям, в первую очередь основан на действиях пользователя (прикосновение, деформация и т.д.). Следовательно, ткань не имеет ни малейшего представления, с какими предметами она контактирует. Своего рода кризис личности для умной ткани, которая не знает своего предназначения в жизни.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые предложили использовать метод емкостного считывания, который позволяет ткани понять, с какими объектами она контактирует. Данный метод работает даже с неметаллическими предметами, коих в быту человека предостаточно. После считывания информации об объекте ткань может реализовать то или иное действие, заложенное в нее программой. Например, человек положил на стол несколько разных овощей или фруктов, а умная скатерть может предложить рецепты блюд, где эти овощи используются (1b). Кроме того ткань также способна распознавать изменения, происходящие с объектами. Например, она может определить, что воды в горшке с комнатным растением стало мало и его надо полить ().


Изображение 1

В ходе исследования был реализован прототип, названный Capacitivo. Он представляет собой сеть электродов 1212, сделанную из проводящей ткани, прикрепленной к текстильной подложке (). Точность определения объектов по результатам тестирования прототипа составила 94.5%.

Умная скатерть кажется весьма любопытной концептуально, но необходимо понять принцип ее работы прежде, чем рассыпаться в восторженных возгласах.

Внутри умной скатерти


Фундаментом умной ткани является, как мы уже знаем, процесс обнаружения изменений емкости электродов под воздействием различных объектов. Например, когда неметаллический объект находится в контакте с электродами, электрическое поле, приложенное от электродов, вызывает электрическое смещение внутри объекта. Величина электрического смещения варьируется для разных объектов в зависимости от их диэлектрической проницаемости.

Электрическое смещение изменяет заряд, накопленный в электродах, и, в свою очередь, изменяет емкость. Таким образом, можно обнаружить или распознать объект за счет определения сдвига измеренной емкости.

Если же с электродами контактирует металлический объект, то смещение измеренной емкости в первую очередь вызвано коротким замыканием или наличием диэлектрика (например, воздуха) в крошечных промежутках между неровностями поверхности объекта и электрода. Из этого следует, что изменение емкости не связано с материалом и не может использоваться для распознавания объектов.

Ученые отмечают, что традиционные методы измерения емкости (например, по отношению к времени) недостаточно точны для их разработки. Посему был использован подход, основанный на резонансе, когда чувствительный элемент состоит из LC-резонансного контура (замкнутый участок электрической цепи), включая индуктор и конденсатор (электроды датчика).

Путем точного измерения резонансной частоты (f) контура емкость (С) электродов может быть рассчитана по следующей формуле (где L индуктивность):

С = 1 / 42f2L

Метод на основе резонанса имеет два важных преимущества над альтернативными методами. Во-первых, он менее восприимчив к шумам EMI (от electromagnetic interference, т.е. электромагнитные помехи), следовательно, отношение сигнал-шум (SNR от signal-to-noise ratio) у него гораздо лучше. Во-вторых, он позволяет измерять емкость в более широком диапазоне (от 1 пФ до 250 нФ) со сверхвысоким разрешением (0,08 фФ).
пФ пикофарад; нФ нанофарад; фФ фемтофарад.

Изображение 2

Датчик, считывающий информацию об объектах, состоит из копланарных электродов, соединенных рядами и столбцами, и заземляющей поверхности (схема выше). При такой схеме возникает два типа емкости: взаимная между соседствующими электродами и собственная между электродами и заземленной поверхностью. Обе емкости подвергаются воздействию со стороны объекта контакта. Совокупность емкостей позволяет сделать сигнал более выраженным, т.е. фиксировать даже незначительные изменения емкости.

Некоторые электроды также действуют как конденсаторы, соединяющиеся с заземлением, поэтому изменения обоих типов емкости вместе влияют на показания датчика (частоту колебаний). За счет этого возможно измерить воздействие контактирующего объекта путем сканирования всех электродных строк и столбцов.


Изображение 3

Однако не все так идеально. Из-за связи электродов с заземлением (собственная емкость) показания датчика в определенном месте искажаются для всех электродов, подключенных в одной строке или столбце, что было названо учеными эффектом пересечения (3b). Этот эффект влияет на точность измерений из-за шума за пределами области контакта объекта и умной ткани. Данную проблему удалось решить дополнительным измерением контура области контакта и сбором показаний датчиков исключительно внутри этого контура (3c).


Изображение 4

После определения основных принципов работы устройства ученые приступили к его производству. Электроды для умной скатерти были созданы с использованием проводящей ткани, прикрепленной к слою непроводящей подложки.

Проводящую ткань прикрепили к хлопковой подложке с помощью обычного клея и утюга. Далее проводящий слой обработали с помощью режущей машины Cricut Air Explorer, чтобы в результате получить ромбовидные электроды (). Такая форма обусловлена максимизацией области восприятия в двумерном пространстве. После дополнительного нагревания с поверхности устройства были удалены остатки клея (4b).

Ряды электродов были соединены между собой, грубо говоря, собственным материалом, т.е. изначально они были вырезаны в ряд ромбов с полосами между ними. А вот столбцы электродов соединялись посредством проводящей нити (). В процессе пришивания нить проходит черед подложку и проводящий слой, за счет чего формируется соединение между передней и задней частями датчика, что необходимо для прокладки линий подключения столбцов к задней части. Далее на заднюю сторону датчика был добавлен заземленный экранирующий слой, сделанный из трикотажной проводящей ткани (4d).

В результате была получена сетка электродов 1212 (15.6 15.6 см). Сам процесс изготовления занял не более 20 минут, а стоимость около 30 долларов.


Изображение 5

Еще одним важным элементом будущего устройства является, конечно же, сенсорная плата (фото выше), в которой использовался LC-контур и микросхема FDC2214, измеряющая совместный эффект взаимной и собственной емкостей.

На стороне передатчика (электроды колонны) схема состоит из генератора волн (AD5930, аналоговое устройство) и усилителя (AD8066ARZ, аналоговое устройство), который генерирует сигнал возбуждения, используя синусоидальную волну 100 кГц с пиковым напряжением в 5 В. Сигнал возбуждения направляется на электроды, расположенные в ряд, через мультиплексоры. На стороне приемника (электроды в ряд) ток смещения от электродов столбцов преобразовывался и фильтровался в усиленный сигнал напряжения с использованием двух усилителей.


Изображение 6

Далее система сообщала о емкости, вычисляя среднеквадратичное значение сигнала напряжения, используя размер окна в 100 образцов с частотой дискретизации 1 МГц. Помимо вышеперечисленных элементов, в устройство также были установлены микроконтроллер на базе ARM, Bluetooth и восемь мультиплексоров.

Принцип работы умной скатерти


Когда объект находится в контакте с тканевым датчиком, датчик сообщает о двух массивах 1212 значений емкости, один из LC-контура, а другой из схемы считывания взаимной емкости.

Перед использованием необработанных данных датчика для распознавания объектов необходимо было вычесть фоновый шум из показаний датчика для всех пар электродов (столбец+строка). Для этого создавался двумерный профиль шума, построенный путем усреднения показаний датчика во всех точках в пределах скользящего окна размером 5. Данный профиль обновлялся автоматически, когда объект не был обнаружен и когда ни одно местоположение не сообщило о среднем значении датчика (текущее значение минус начальное значение), превышающем заданный порог (например, 3000 единиц необработанных показаний датчика FDC2214). Когда объект находился в контакте с датчиком, система обнаруживала присутствие объекта, если среднее значение данных датчика по всем точкам превышает пороговое значение (5000), а стандартное отклонение ниже порогового значения (1000). Далее из данных LC-цепи из области контакта объекта извлекался его двумерный емкостный отпечаток.

Распознавание объектов выполнялось посредством машинного обучения. В результате была получена совокупность характеристик, по которым система могла определить контактирующий объект.

Практические испытания умной скатерти


Для дальнейшей оценки работоспособности, точности и эффективности устройства были проведены практические тесты. В них приняли участие 10 добровольцев правшей (6 мужчин и 4 женщины, средний возраст 22.9 года).

В качестве контактирующих объектов было использовано 20 различных предметов, которые мы часто встречаем как у себя дома, так и в офисах.


Изображение 7

Предметы для тестов:

  • личные вещи: футляр для AirPods (A); губная помада (B); кредитная карта Discover ; бонусная накопительная карта JCPenney (D);
  • продукты питания: киви (E); авокадо (F); грейпфрут (G); кусочек сыра в пластиковой упаковке (M);
  • кухонные предметы: соль в цилиндрической упаковке (L); свеча в стеклянной банке (O); пустой стакан (J); стакан с водой (K); пустая миска (H), миска супа (I);
  • офисные предметы: внешний накопитель (T); дезинфицирующее средство для рук (N); статуэтка (S), книга ; растение в горшке (Q); растение в горшке после полива (B).

Важно отметить, что вышеперечисленные объекты различаются по геометрии и свойствам материала. Также были использованы емкости (пустые/наполненные), чтобы проверить возможность системы определять состояние объектов-контейнеров. Подобную задачу должна выполнить система и в отношении растения в горшке, где необходимо определить полит он или нет. Другими словами, перед системой была поставлена простая задача понять, что лежит на скатерти и в каком оно находится состоянии.


Изображение 8

Точность системы составила 94.5 %. Матрица неточностей результатов исследования показывает, что 18 из 20 протестированных объектов показали точность выше 90%.

Система отлично распознавала даже схожие по форме и размеру объекты. Например, она могла точно различить авокадо и киви. Это кажется легкой задачей, но не стоит забывать, что у этой системы нет ни рук, ни глаз, ни носа, чтобы определить разницу между этими фруктами, как это делаем мы.

Любопытно, что точность определения грейпфрута была рекордной (98%), что связано с его уникальным емкостным следом.

Система также успешно определяла состояние объектов-контейнеров. Точность определения пустого или наполненного стакана составила 94%. Тест с миской супа, проведенный 20 раз, также показал успешное выполнение задачи. Система с 99% точностью смогла определить различие между влажной и сухой почвой в горшке с растением.

Ошибки классификации обычно возникали, когда объект не имел четкой емкости, например, с низкой диэлектрической проницаемостью (кредитные карты или книга). Так накопительную карту JCPenney система распознавала с трудом (точность 85%). Проблема заключается еще и в отсутствии стопроцентного контакта подобных объектов с тканью ввиду неровностей на ее поверхности. Из-за этого система иногда путала карту JCPenney и футляр для AirPods.

Важно понимать, что данный вариант устройства является прототипом, который физически не может работать идеально, пока не будут внесены доработки, основанные на результатах тестов, удачных или же нет.

Бонусный раунд тестов


В дополнение к основному исследованию ученые решили провести парочку дополнительных, в которых они хотели выяснить, насколько хорошо система может различать жидкости и объекты в вертикальном положении (грубо говоря, если объект лежит в кармане).

Для испытаний с жидкостями были использованы: холодная вода, горячая вода, кола, яблочный сидр, молоко, пиво и пустой стакан. Все эти жидкости должны обладать разной диэлектрической проницаемостью из-за разницы в температуре и составе (концентрация сахара и соли).


Изображение 9

Проблема реализации данного теста по распознаванию жидкостей заключается в том, что разница между напитками весьма незначительная в глазах системы. Результат первоначального тестирования показал низкую производительность системы на тестируемых жидкостях, в первую очередь из-за небольшого несоответствия показаний датчика в разных местах текущего прототипа. Посему было решено проводить дальнейшие тесты с жидкостями, когда измерения проводятся в изолированной области, выбранной случайным образом внутри датчика (фото выше).

Данное испытание проводилось в два этапа (обучение и фактические тесты). Во время обучения системы доброволец помещал стакан с жидкостью на одну из областей устройства с массивом электродов 77. Все жидкости были комнатной температуры (~ 23 C), за исключением горячей воды (80 C).

Анализ данных тестирования показал, что система опознавала жидкости с точностью 90.71% (график на изображении 9). Самый низкий результат показало пиво (65%), так как система путала его с сидром, колой и молоком. Если же убрать пиво из ряда тестируемых жидкостей, то средний показатель точности возрастает до 96.67%.


Изображение 10

Далее проводилось испытание с вертикально размещенными объектами. В этом случае использовалось устройство в форме кармана размерами 15.6 15.6 см (фото выше) и девять объектов из предыдущих тестов (футляр для AirPods, губная помада, киви, авокадо, ломтик сыра в пластиковой упаковке, кредитная карта Discover, бонусная карта JCPenny, книга и внешний накопитель). Однако карта JCPenny была исключена, так как ее размеры были слишком малы для нормального распознавания системой. В ходе тестов человек помещал в карман случайный объект из вышеперечисленных.
Изменение форм-фактора устройство, естественно, негативно сказалось на его работе. Средняя точность во время тестов составила 70%. Объясняется это тем, что данная система основана на контакте с объектом. Когда объект находится в кармане, контакт с датчиками может быть нестабильный.

На графике выше показана совокупность результатов данного тестирования. Из данных следует, что системе сложно работать с объектами с прямыми краями (книга или помада). Это связано с тем, что площадь контакта объектов варьировалась случайным образом в зависимости от того, как они были размещены и как контактировали с датчиком внутри кармана.


Изображение 11

Практическое применение данного устройство ограничено лишь воображением человеком. Разработчики умной ткани предложили несколько вариантов. В одном из них датчики в карме куртки определяют наличие/отсутствие футляра для AirPods (11а), что может помочь в его поисках, либо напоминать человеку о каком-то почти забытом предмете (11b).

Допустим, человек решил совершить какую-то покупку через интернет-магазин. Вместо ввода платежных данных своей карты в определенные поля, ему достаточно положить свою карту на скатерть, которая считает данные и самостоятельно заполнит соответствующие поля (11с). Хотя такой вариант применения, как мне кажется, требует значительных доработок в аспекте безопасности информации и пользовательского контроля над самим процессом.

Что касается кухни, то умная скатерть может стать вербальным помощником в готовке любимых блюд (11d), подсказывая те или иные шаги рецепта. Ну и, конечно же, подобная система, распознавая жидкость, может вносить коррективы в программы отслеживания потребленных калорий (11е) или просто напоминать пользователю помыть посуду (11f).


Авторы умной ткани рассказывают о ее особенностях.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог


В данном труде ученым удалось создать ткань, которая способна распознавать объекты, с которыми она контактирует. Это возможно благодаря оценке изменений емкости, возникающий во время воздействия объекта на электроды, вшитые внутрь ткани. Помимо определения, какой объект лежит на умной скатерти, существует возможность определить некие его характеристики, что было показано на примере контейнеров (пустой/наполненный стакан и миска), а также состояние (политое / не политое растение в горшке).

Не спорю, что подобные исследования могут показаться весьма комичными, особенно на фоне более масштабных трудов, нацеленных на поиски внеземной жизни, к примеру. Однако многие труды, проведенные и десять, и тысячу лет тому назад тем или иным образом влияли не только на глобальные вопросы, но и на бытовые, с которыми мы сталкиваемся каждый день. Мы уже неоднократно наблюдали, когда устройство/система/предмет, созданные с одной целью, в будущем приобретали множество новых применений. Ярким примером тому может быть макраме, оригами или даже игрушка-пружина cлинки.

Устройство, естественно, требует доработок, чем ученые и намерены заняться в будущем. Посему пока сказать сложно, как скоро скатерти на наших столах начнут ворчать на нас по поводу лишнего кусочка торта перед сном или не помытой тарелки.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Искра жизни теория зарождения первой органики

30.09.2020 10:08:50 | Автор: admin


Жизнь человека по меркам Вселенной всего лишь мгновение, а по меркам мухи-однодневки целая вечность. Для нас же оценка продолжительности нашего собственного жизненного пути осложнена событиями, которые происходят в процессе, людьми, которых мы встречаем и с которыми расстаемся, эмоциями, которые испытываем. Ведь чем сложнее мозг существа, тем сложнее его самосознание. Однако любой путь определяется не только его насыщенностью, но и фактом того, что он рано или поздно заканчивается. Люди многие века пытаются ответить на вопрос, что лежит за гранью жизни, и четкого безапелляционного ответа нет ни у кого. Тем не менее до остается не менее таинственным и загадочным, чем после. Ученые из Американского музея естественной истории (Нью-Йорк, США) провели исследование, в котором описывается возможный вариант зарождения органических молекул миллиарды лет тому назад. Что могло послужить началом жизни на планете, где это произошло, и как эти знания могут помочь в понимание нашего мира здесь и сейчас? Ответы на эти вопросы сокрыты в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Как уже было сказано ранее, достоверно неизвестно, что ждет человека или любой другой живой организм после того, как его тело теряет жизнеспособность. Этим вопросом задаются физики, биологи, теологи и философы. У все у них есть ответы, каждый из которых имеет право на существование, однако это лишь теории, которые эмпирически подтвердить по понятным причинам пока никому не удавалось.

Что касается того, что было до начала всего, то этот вопрос такой же сложный и неоднозначный. Теория большого взрыва подарила нам идею зарождения Вселенной, но остаются вопросы касательного того, что было до него. Эволюционная теория Дарвина помогла понять как между собой взаимосвязаны виды на нашей планете, как они эволюционировали, как одно преобразовалось в другое. Но и тут возникают вопросы: что или кто был первым, почему жизнь зародилась, при каких обстоятельствах, случайно ли было это событие или это чей-то великий замысел. Вопросы на века, не иначе.

Тем не менее, знания, которыми обладает современный человек, могут послужить инструментом в построении цепочки событий, которые привели к зарождению жизни. Нам известно, что основополагающими элементами в зарождении и поддержании жизни являются водород, азот и кислород. В современной жизни большинство органических молекул образуются в результате восстановления углекислого газа (CO2) посредством нескольких путей фиксации углерода (например, фотосинтез в растениях). Но большинство этих путей либо требует энергии от клетки, либо они появились относительно поздно. Возникает вопрос что было до этого?

По мнению ученых одним из путей образования органики могло быть восстановление CO2 с помощью H2. Геологические исследования показывают, что СО2 находился в относительно высоких концентрациях в океане во время катархея*, тогда как H2 был продуктом множественных процессов в земной коре и выделялся наружу за счет гидротермальных источников.
Катархей* геологический эон (период времени), продлившийся первые 600 миллионов лет существования Земли.
Следовательно, на стыке двух сред (океана и Земной коры) между двумя растворенными газами возникала реакция, которая приводила к образованию углеводородов, сыгравших в последствии важную роль в переходе от геохимии к биохимии.


Изображение 1

В стандартных условиях (1 ат, 25 C, pH 7) реакция между CO2 и H2 с образованием формиата (HCOO) термодинамически неблагоприятна с G0 = + 3.5 кДж/моль. Однако в древних щелочных источниках () H2 присутствовал в богатых ОН водах гидротермального источника, что способствовало его окислению в воду. При этом CO2 был бы растворен в относительно кислом океане, что облегчило протонирование в его восстановлении до HCOO.

С помощью минералов Fe(Ni)S, осажденных на интерфейсе между океаном и корой, градиента pH более трех единиц должно было быть достаточно для увеличения жизнеспособности реакции на ~ 180 мВ, что делает ее благоприятной для образования органики.

После образования формиат обладал бы достаточным абиотическим химическим потенциалом. К примеру, известно, что формильные группы образуют промежуточные соединения восстановительного цикла трикарбоновых кислот* и восстановительного Ацетил-КоА пути*, предполагая возможный путь развития биологического метаболизма.
Восстановительный цикл трикарбоновых кислот* череда химических реакций синтеза органики из диоксида углерода и воды.
Восстановительный Ацетил-КоА путь (путь Вуда-Льюнгдаля или WL-путь)* цепочка биохимических реакций, необходимых для фиксации СО2 и для получения энергии.
Другая теория предполагает, что при нагревании в присутствии аммиака, который также является предполагаемым компонентом щелочных вод, из формиата образуется формамид [HC(O)NH2] высокореакционная молекула, являющаяся краеугольным камнем одной из теорий возникновения жизни (Formamide and the origin of life). Дальнейшая реакция этой смеси дает цианистый водород (HCN), который также является основой еще одной теории образования органики (Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism). В свою очередь, дегидратация формиата приводит к образованию монооксида углерода (CO) (Activated Acetic Acid by Carbon Fixation on (Fe,Ni)S Under Primordial Conditions). Как видно, теорий происхождения органических соединений немало, и каждая из них имеет вполне логичные объяснения.

Несмотря на то, что на ранней Земле существовало несколько источников восстановленного углерода и множество вероятных сред, в которых могли бы находиться богатые химические вещества, описанный выше щелочной гидротермальный сценарий куда более интересен для ученых ввиду его сходства с WL-путем фиксации углерода.

Дополнительным аргументом в пользу потенциальной значимости щелочного гидротермального сценария образования органики является факт того, что WL-процесс это единственный из шести известных биологических путей фиксации углерода, который высвобождает энергию в целом, а не потребляет ее, а его вариации присутствуют у существующих представителей обеих архей (метаногены*) и бактерии (ацетогены*).
Метаногены* археи, образующие метан как побочный продукт метаболизма в бескислородных условиях.
Ацетогены* бактерии, которые выделяют ацетат (CH3COO) в качестве конечного продукта анаэробного дыхания или гомоацетатного брожения.
Первым шагом на этом пути является восстановление CO2 с помощью H2 с образованием формиата (HCOO или его дегидратированный электронный эквивалент, т.е. CO).

Эта реакция носит эндергонический* характер, поэтому некоторые представители как архей, так и бактерий используют либо бифуркацию электронов*, либо хемиосмос* через клеточную мембрану, чтобы привести в действие это процесс.
Эндергонические реакции* химические реакции, требующие энергии извне для их протекания.
Бифуркация электронов* механизм разделения электронов в окислительно-восстановительной реакции.
Хемиосмос* преобразование энергии цепи переноса электронов в энергию АТФ (аденозинтрифосфат).
Однако в отсутствие механизмов клеточного объединения, таких как бифуркация электронов или хемиосмос, эта первая эндергоническая стадия является ключевым энергетическим узким местом в WL-пути и остается главным открытым вопросом в исследованиях происхождения биологической фиксации углерода.

В данном исследовании ученые демонстрируют абиотическое косвенное восстановление CO2 до HCOO с помощью H2, вызванное микрофлюидным градиентом pH в осадках Fe(Ni)S, посредством механизма, который напоминает поток разделенных электронов пути WL.

Результаты исследования


В первую очередь был подготовлен лабораторный эквивалент щелочной гидротермальной среды с имитацией интерфейса между корой Земли и водами океана. Щелочная составляющая включала в себя Na2S (100 мМ), K2HPO4 (10 мМ) и Na2Si3O7 (10 мМ) в деаэрированной воде. Аналог океана включал в себя FeCl2 (50 мМ) и NiCl2 (5 мМ). Обе жидкости были подведены к Y-образному боросиликатному микрофлюидному реактору (1B).

Окружающее давление H2 и CO2 оказалось недостаточным для сокращения выбросов CO2, поэтому вместо попытки растворения любого газа путем барботирования* перед реакцией было решено использовать микрожидкостные насосы, работающие от давления газа.
Барботирование (барботаж)* процесс пропускания газа через слой жидкости.
Щелочная жидкость вытеснялась H2 при давлении 1.5 бар, а аналог океана выталкивали CO2 при том же давлении.

Каждый цикл реактора был разделен на две последовательные стадии: первая для осаждения осадков Fe(Ni)S на стыке (на интерфейсе) двух жидкостей; вторая (постосаждение) для попытки создания реакции между CO2 и H2 (или других реагентов).

В результате взаимодействия щелочной жидкости и океанического аналога в течение 15-60 секунд на стадии выпадения осадков образовался осадок шириной от 30 до 60 мкм на интерфейсе между двух жидкостей, видимый под цифровым оптическим микроскопом (в центре на ). Удаление металлов со стороны аналога океана после выпадения осадков предотвратило увеличение осадка до критического значения перекрытия канала реактора.

После образования осадка и для предотвращения засорения микрофлюидных каналов дальнейшим осаждением на второй стадии океаническая жидкость была переключена на чистую деаэрированную воду, вытесненную CO2 (справа на 1B). При этом аналог щелочной жидкости оставался прежним с Na2S, K2HPO4 и Na2Si3O7, выталкиваемыми H2.

Далее был определен уровень pH поступающих жидкостей в точке входа: аналог океана pH 3.9, щелочные воды pH 12.3. При скорости потока 5 мкл/мин для каждого входа время пребывания жидкостей в центральном канале составляло ~ 3.3 с, поэтому системе было позволено работать не менее 2 минут перед сбором выходных данных. Далее был собран общий выход реактора (смесь жидкостей), который был проанализирован с помощью ЯМР-спектроскопии. Анализ показал, что среднее значение концентрации HCOO составило 1.5 мкМ.


Таблица 1: результаты экспериментов.


Изображение 2

Синглетные пики в спектрах 1H ЯМР (8.42 ppm (частей на миллион); 2A) и 13C ЯМР (165.8 ppm) соответствуют образцам чистой (> 98%) муравьиной кислоты. Выполнение стадий осаждения и реакции с изотопно обогащенным (99% 13C) 13CO2 (эксперимент 2) дало более сильный синглет в спектре 13C (165.8 ppm; 2B) и ожидаемое расщепление синглета формила на дублет (сигнал, расщепленный на два пика) в спектре 1H (J = 195 Гц) за счет взаимодействия 1H 13C в формильной группе ().

Как оказалось, H2 необходим для сокращения выбросов CO2. С жидкостью на стороне выпускного отверстия, управляемой N2 вместо H2 (т.е. в отсутствии H2 как во время, так и после осаждения), продуктов восстановления не было обнаружено (эксперимент 3; 2E и 2F).

Для более детального понимания происходящего процесса были выполнены дополнительные эксперименты по маркировке дейтерием (2H или D) (эксперименты 4 и 5), используя изотопные варианты на протяжении всех экспериментов.

Независимо от того, использовался ли немаркированный H2 (эксперимент 1) или D2 (эксперимент 4) для управления насосом на стороне щелочной жидкости, наблюдались исключительно неизотопно отмеченный HCOO в жидкостном выходе. Это наблюдение позволяет предположить, что сокращение выбросов CO2 может происходить исключительно на стороне океана.

И наоборот, с D2O, используемым вместо обычного H2O на стороне океана, и с немаркированным H2, приводящим в действие насос на стороне щелочной жидкости (эксперимент 5), был обнаружен исключительно дейтерированный формиат (DCOO), о чем свидетельствует триплет в 13C ЯМР (J = 33 Гц) и отсутствие каких-либо других заметных пиков (2D). Это дополнительно подтверждает, что сокращение CO2 соответствует изотопному составу на стороне океана, а не на стороне земной коры.

На следующем этапе исследования была проверена роль градиента pH моделируемой подводной щелочной гидротермальной системы. Успешные сокращения CO2, представленные в таблице 1, происходили при pH аналога океана 3.9 и pH аналога сброса 12.3.

При смешивании этот начальный pH, равный 8.4 единиц, неизбежно снизился бы, но градиенты pH, составляющие несколько единиц, успешно сохраняются с течением времени в микрожидкостных масштабах, особенно в присутствии осадка на интерфейсе.

Необходимо было понять, требуется ли такой градиент pH в системе восстановления для облегчения окисления H2 на щелочной стороне и восстановления CO2 на кислотной стороне (1A). После осаждения в тех же условиях, что и для эксперимента 1, оценивались эффекты различных уровней pH и состава каждой из двух жидкостей (таблица 2). Замена имитатора щелочного источника чистым H2O, управляемым H2, не дала результата (таблица 2, эксперимент 6).


Таблица 2: результаты экспериментов с различным значением рН.

Аналогичным образом, подкисление жидкости аналога щелочного источника с помощью HCl до pH 3.9 и pH 7.0 не привело к образованию формиата (эксперименты 7 и 8).

Добавление 100 мМ Na2CO3 в океаническую жидкость при одновременном использовании CO2 в качестве движущего газа (эксперимент 9) повысило pH океана до 9.8, и в этих условиях продукт не был обнаружен. Удаление силиката со стороны источника после осаждения все еще давало формиат (эксперимент 10), как и удаление силиката и фосфата при наличии только Na2S (эксперимент 11).

Имея только K2HPO4 после осаждения на стороне щелочного источника, были обнаружены лишь остаточные количества формиата (ниже предела количественного определения в 0.37 мкМ), возможно, из-за недостаточно щелочного pH 9.1 (эксперимент 12). А вот более щелочной K3PO4 повысил pH до 12.1 и привел к образованию значительно большего количества формиата (эксперимент 13).

Ученые заявляют, что не могут полностью исключить вероятность того, что связанный с осадком сульфид действует как восстановитель в дополнение к H2. Однако вышеописанные результаты одновременно подтверждают роль градиента pH и показывают, что непрерывная подача водного сульфида в системе не требуется.

Удаление Ni из осадочной жидкости океана (эксперимент 14) привело к образованию лишь небольшого количества формиата. И наоборот, замена Fe, чтобы оставить Ni в качестве единственного металла в осадочной жидкости океана (NiCl2, 55 мМ; эксперимент 15), дало 1.4 мкМ формиата, что указывает на решающую роль Ni в составе осадков.

Удаление FeCl2 и NiCl2 из океанической жидкости, как и ожидалось, не привело к образованию определяемого формиата и осадка (эксперимент 16).

Самым подходящим объяснением происходящего ученые считают именно электрохимический процесс (), однако существует несколько альтернативных механизмов сокращения выбросов CO2, связанных с окислением H2, которые при этом менее вероятны.

Один из таких механизмов можно назвать самым простым, но и наименее биохимически гомологичным восстановление углерода за счет прямого гидрирования (-). В таком варианте водород из H2 будет передаваться непосредственно в CO2 либо в виде атомарного водорода (классическое гидрирование) или в виде гидрида (ионное гидрирование).


Изображение 3

Другими словами, выходной продукт в таком механизме должен соответствовать изотопной сигнатуре выделяемого газа H2/D2. Вместо этого произведенный в таком случае формиат соответствует только изотопному составу воды на стороне океана, независимо от состава газа или воды на стороне гидротермального источника.

В механизмах прямого гидрирования адсорбированные частицы водорода могут обмениваться с окружающей жидкостью, так что исходная изотопная сигнатура теряется. Однако любой такой процесс подразумевает миграцию значительного количества жидкости через осадок. Существенное перемешивание жидкостей должно было вызвать смешанный сигнал H/D формила, которого в ходе практических опытов не наблюдалось, полностью исключая гидрирование.

Другой возможный вариант заключается в том, что атомы водорода в образующемся формиате могут не происходить непосредственно из H2. Вместо этого механизм может осуществляться посредством окислительно-восстановительного цикла краевого или углового атома Fe или Ni (M2+ M0), при котором металл сначала восстанавливается H2 (оставляя два протона для разбавления), а затем металл переносит приобретенные электроны на СО2 с сопутствующим отрывом протонов из локальной водной среды (3C-3E).

Однако такой вариант развития событий сложно сопоставим с реальными показателями рН, которые были во время опытов. Уровень рН в 3.9 достигался исключительно за счет растворения CO2 в воде. Таким образом, любые протоны со стороны океана должны происходить в результате диссоциации угольной кислоты посредством:

H2O + CO2 H2CO3 H+ + HCO3

Когда же реакция проводилась с использованием D2O (эксперимент 5) в качестве растворителя на стороне океана, в выходном потоке обнаруживался исключительно DCOO. Из этого следует, что сокращение CO2 не происходило на стороне источника, где присутствовали обычная вода (H2O) и H2.

Сценариев такого локализованного окислительно-восстановительного цикла (3D и 3E) может быть несколько, но поскольку все они требуют совместного размещения ни один из них не может предложить изотопную сигнатуру исключительно на стороне океана, которая наблюдалась во время экспериментов.

В совокупности с сильной зависимостью реакции от уровня рН эти результаты говорят о том, что восстановление СО2 происходит посредством электрохимического механизма, в котором электроны от окисления H2 на стороне щелочного источника перемещаются через осадки Fe(Ni)S в сторону CO2 на стороне океана (1A).

Вышеописанные процессы не могли бы протекать, если бы не было какого-то механизма, позволяющего активировать и поддерживать взаимодействие между океанической водой и щелочным гидротермальным источником. Кроме того возникает вопрос и касательно живучести сформировавшихся органических соединений, так как они могли бы попросту раствориться в океанической воде до того, как примут какую-либо биохимическую роль.

Ответом на первый вопрос может быть эффект Вентури*, вызванный повышенной пористостью структуры гидротермальных жерл. Оказавшись внутри жерла, углекислые воды океана могут вступить в реакцию с электронами, переносящимися через каталитические минералы канала гидротермального источника, а новые осадки также могут возникать и дальше по времени, когда две жидкости вступают в контакт.
Эффект Вентури* падение давления, когда поток жидкости или газа протекает через суженную часть трубы.
Моделирование данной теории показало, что в случае экспериментального реактора шириной 300 мкм действительно происходит микрожидкостное слияние двух реагентов, что и было показано в ходе практических опытов.

Ученые также отмечают, что такой эффект не ограничивается подводными щелочными жерлами и, вероятно, будет происходить в пористых гидротермальных системах в любом месте и на любой глубине, что дает возможность множеству геохимических сценариев возникновения жизни.

Стоит отметить, что микрожидкостная система восстановления СО2 с помощью H2 не является единственной. Существует также и методика, где используется одноканальная периодическая система.

За счет других минералов (Fe3Ni), более высокого давления (10 бар для H2) и более высокие температуры (100 C), чем в проводимых опытах, система периодического действия позволяет получить куда больше формиата, а также несколько продуктов дальнейшего восстановления (ацетат, метанол и пируват). При этом скорость производства формиата (5.21 х 10-9 моль/с) на четыре порядка выше скорости, достигнутой микрожидкостной системой.

Важность периодической системы заключается в том, что ее результаты подтверждают работоспособность микрожидкостной системы. Таким образом подтверждается и теория касательно существования органических веществ в условиях бескислородных щелочных гидротермальных источников.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


Все, что имеет начало, имеет и конец. Эти слова, сказанные Пифией из х/ф Матрица, в той или иной интерпретации говорились реальными философами и учеными задолго до выхода этой кинокартины. Помимо этого, из курса школьной химии вспоминается один из основоположных принципов науки ничто никуда не девается и ниоткуда не берется бесследно. С тем, что будет в конце, а точнее после него, разбираться человечеству придется еще очень долго. Но вот какое-то понимание того, что было в начале, уже есть.

В данном исследовании ученые описали возможный вариант формирования первых органических соединений. По их мнению этот процесс протекал на стыке океанических вод и гидротермальных источников. В ходе экспериментов удалось преобразовать СО2 в органические молекулы посредством H2 и управляемого рН.

Такой результат не только объясняет исток жизни на нашей планете, но и может быть использован в разработке инструментов для снижения выбросов CO2, что является весьма удручающей проблемой современного мира. Помимо прочего, понимание того, как органика появилась на Земле, позволяет строить более рентабельные теории о возможном наличии оной на других планетах, подобных нашей.

Если же переключиться на более философскую волну, то можно с уверенностью сказать, что данный труд демонстрирует важность понимания прошлого для успешного формирования будущего. История полнится исследованиями, которые современники называли праздным любопытством и пустой тратой времени. Подавляющее большинство из них оказались гораздо важнее, чем кто-либо мог предположить. Вывод прост: в науке искать ответы нужно на все вопросы, какими бы глупыми на первый взгляд они ни казались.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Танец света секрет синхронизации светлячков

02.10.2020 10:21:39 | Автор: admin


Насекомые по праву считаются самыми многочисленными и разнообразными представителями фауны. Они живут во всех уголках нашей планеты: от тропических джунглей Амазонки до каменистых берегов Гренландии. Среда обитания в сопряжении с эволюционными изменениями породили множество уникальных видов, чей внешний вид, повадки или гастрономические предпочтения не перестают удивлять. Одними из самых необычных представителей класса насекомых можно с уверенностью назвать светляков, способных излучать свет за счет специальных органов (лантерн). Но не только сам факт свечения удивителен, но и то как он применяется. Ученые из университета Колорадо (Боулдер, США) попытались понять, как у светляков вида Photinus carolinus происходит синхронизация свечения. Как проводилось исследование, чем отличается поведение роя светляков от одиночных особей, и в чем же секрет синхронизации свечения? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Как мы уже поняли, в мире удивительных видов насекомых полно, особенности которых способны поразить воображение даже самого искушенного энтомолога: жук-бомбардир выстреливает горячей жидкостью для самозащиты, палочник в ходе эволюции стал мастером камуфляжа, муравьи столь многочисленны, что занимают около 25% от общей биомассы планеты, а осу вида Ampulex compressa можно легко сравнить с ксеноморфом. Список интересных фактов можно продолжать бесконечно, учитывая что на Земле обитает порядка 6-8 миллионов видов.


Видео о том, как именно светлячки излучают свет.

Светляки это не отдельный вид, а целое семейство, насчитывающее порядка 200 видов. Обитают они как в тропиках / субтропиках, так и в умеренном климатическом поясе, хоть и в меньшем числе. Светляки по большей степени являются ночными насекомыми, что вполне логично, учитывая их особенность (кому нужен фонарик средь бела дня).

На теле светляков имеются специальные органы свечения (лантерны от итальянского lanterna, т.е. лампа). Это может быть либо одиночный крупный орган на конце брюшка, либо множество более мелких органов, расположенных в определенном порядке по всему телу.

Назначение свечения достаточно поэтично поиск партнера. Когда наступает закат самцы светляков начинают летать и светиться, тем самым привлекая внимание самок. Дамы, чаще всего лишенные крыльев, наблюдают за шоу и выбирают самого подходящего кандидата для спаривания.

Что происходит дальше, зависит от вида светляков. Дело в том, что сигнатура свечения у разных видов разная, от чего и язык общения внутри вида разный. Сгруппировать сигналы можно в такие категории: поисковые, призывные, отказные, агрессивные, посткопулятивные (после спаривания). Самцы одних видов испускают призывные и поисковые сигналы, а самки только призывные. А вот самцы вида Lampyris noctiluca испускают исключительно призывные сигналы. У других же видов отличий в сигналах может и не быть вовсе.


На фото представлены личинка (сверху слева), самец (снизу слева) и самка (справа) светляков вида Lamprohiza paulinoi.

Нестандартное поведение наблюдается в сигналах самок из рода Photuris. Они способны излучать свечение, призывающее самцов из другого рода (Photinus). Делают они это не из-за романтических побуждений. Самки Photuris являются хищниками, а самцы Photinus, одурманенные их свечением, становятся ужином. Любопытно, что самцы рода Photuris призывают своих кровожадных дам, излучая свечение самцов Photinus. Когда самка находится достаточно близко, самец переключает подставное свечение на свое собственное.


Самка Photuris, поедающая самца Photinus.

Другими словами, свечение для светляков это самый настоящий язык, т.е. инструмент коммуникации. Тем интереснее синхронное свечение.

Лишь небольшое число видов обладает способностью синхронно светиться. Когда начинается закат, начинается и свечение, достигающее апогея синхронизации спустя 10-15 минут. Столь красивое явление было впервые описано немецким путешественником и натуралистом Энгельбертом Кемпфером (1651-1716), который наблюдал его во время своего путешествия в Таиланд в 1680 году.


Свечение Photinus carolinus, национальный парк Грейт-Смоки-Маунтинс (Great Smoky Mountains National Park).

В рассматриваемом нами исследовании главным героем является вид Photinus carolinus, особи которого обладают даром синхронного свечения.

Ранее проведенные наблюдения за колониями P.carolinus показали, что самцы этого вида синхронно мигают каждые Tf 0.5 с в течение нескольких секунд, а затем коллективно прекращают это делать. Такие циклы происходят каждые Tb 12-14 с в течение 3 часов после захода солнца.

В попытках понять суть синхронного свечения были созданы математические модели. Как показано в этих моделях, для всестороннего понимания коллективного поведения светлячков требуется не только временная, но и пространственная информация о вспышках, которой у исследователей ранее не было. Именно этот пробел и решили заполнить авторы рассматриваемого нами исследования.

Для этого они засняли процесс синхронного свечения с разных ракурсов одновременно, что позволило смоделировать трехмерную модель сего процесса. Во время наблюдений использовались камеры кругового обзора (т.е. 360).


Изображение 1

Как заявляют ученые, подобный подход не использовался ранее в изучении светляков. Обычные камеры позволяют получить достаточно данных в условиях небольших скоплений светляков, но не дают полной картины поведения многочисленных групп особей, так как камеры необходимо размещать за пределами коллективной динамики, а в кард попадает лишь часть происходящего (). Камеры кругового обзора можно размещать буквально посреди роя и получать полноценную информацию о происходящем.


Видео 1: поведение светляков в естественной среде, зафиксированное 360-камерой.

Наблюдения за светляками проводились как в естественной среде, так и в контролируемых условиях. Также велось наблюдение и за поведением особей в зависимости от численности роя (1, 5, 15 и 40 особей).

Результаты исследования


Трехмерная реконструкция вспышек в естественной среде обитания (5-минутный интервал, начиная с 22.00) показывает, что рой P. carolinus точно следует по склону окружающей местности и, в частности, мигает почти исключительно на высоте 2 м над землей (2d2g; видео 2).


Изображение 2

При рассмотрении сверху существуют ограничения техники визуализации: вспышки дальше 10 м не фиксируются, а визуальная окклюзия создает значительные слепые зоны. Однако в триангулированных положениях видны четкие полосы света (2d).


Видео 2: реконструкция поведения светляков и их свечения (соответствует изображению 2).

На каждом кадре видеозаписи фиксировалось 0, одна или несколько световых вспышек. Временной ряд количества вспышек (2i и 2j) демонстрирует двойной периодический характер. Вспышки происходят через равные промежутки времени (интервалы между вспышками Tb; 2i), при этом записывается максимум около 15 одновременных вспышек, разделенных периодами абсолютной темноты.

Приблизившись к этим вспышкам (2j), можно увидеть иную временную картину: вспышки (общее для роя) состоят из последовательности нескольких мерцаний (отдельно для особи), происходящих синхронно с четко определенным интервалом между Tf 0.5 с.

Частотный спектр (преобразование Фурье) временного ряда мерцаний дополнительно подтверждает регулярность этих двух процессов, демонстрируя ярко выраженные пики на частотах 1/Tb = 0.08 Гц и 1/Tf = 1.75 Гц (периоды 12.5 с и 0.57 с соответственно; 2k и 2l). Тот факт, что эти частоты появляются в виде резких пиков в спектре, указывает на то, что эти два процесса происходят в четко определенные интервалы времени.

Эти простые количественные результаты демонстрируют, что мерцание P. carolinus является синхронным, прерывистым и точным. Подобные выводы уже делались ранее. Тем не менее ранее считалось, что вспышки прекращаются внезапно, но в ходе наблюдений были отмечены треугольная форма вспышек и периоды медленного затухания свечения (2j). Наличие треугольного узора в свечении может свидетельствовать о распространении информации внутри роя. Опыты в лабораторных условиях подтвердили, что подобные наблюдения не являются погрешностями оценки данных или нарушением работы оборудования.

Эти результаты показывают, что стая самцов P. carolinus представляет собой сильно коррелированную систему. Механизмы, лежащие в основе их коллективного поведения, такие как распространение информации, могут быть раскрыты путем изучения пространственно-временных корреляций.

Каждая из записанных вспышек привязывалась к времени ti и трехмерной позиции xi. Затем для каждой пары вспышек (i, j) вычислялись разделение ij = |xj xi| и задержка ij = |tj ti|.


Изображение 3

Коррелированные пики возникают каждые 12.5 с (3a), что соответствует вспышкам, и каждый из них состоит из серии высоких и низких полос каждые 0.55 секунды (3b), что соответствует интервалам между вспышками. Пространственные корреляции между всплесками (3a) распространяются по всему рою (пик в диапазоне 010 м). Следовательно, всплески вспышек охватывают весь рой.

Также стоит отметить, что наблюдения показали отсутствие взаимодействия между двумя светляками, которые находились слишком близко друг к другу. Это можно объяснить визуальной окклюзией.


Изображение 4

Трехмерная реконструкция наблюдаемого роя также дала возможность понять кинематику движущихся светлячков.

Анализ отдельных периодов (вспышки, охватывающих не менее четырех последовательных кадров) показывает широкий диапазон движений светлячков.

Скорости свечения (v) показывают континуум между неподвижностью и быстрыми полетами со скоростью до 30 см/с (4a). Радиусы кривизны (rc) также весьма разнообразны, демонстрируя как крутые повороты, так и пролеты по прямой траектории (4b). Ускорение (a = v2/rc) охватывает два порядка величин с верхним пределом, сравнимым с силой тяжести Земли (4c). Интересно, что распределение rc по сравнению с v показывает две четко определенные ограничивающие ветви (4d). Нижняя ветвь (большая v, маленькая rc) отмечает режим высокого ускорения, соответствующий резким и быстрым поворотам. Верхняя ветвь предполагает, что медленные и прямые траектории невозможны при движении светлячка.

Далее рассматривались траектории, длящиеся не менее 2 секунд, в течение которых происходило как минимум 4 свечения. Эти траектории демонстрируют разнообразие моделей.

Принимая во внимание горизонтальный ход (rxy) между конечными точками траекторий, на 4e можно увидеть континуум между почти стационарными траекториями и другими траекториями, которые покрывают расстояние до 1 м. Вертикальный ход (z) распределяется асимметрично (4f), при этом нисходящие траектории обычно проходят дальше. Траектории никогда не бывают полностью вертикальными (большое значение |z| и малое rxy), но иногда полностью горизонтальными (4h). Это может свидетельствовать о наличии определенных ограничений в возможностях полета насекомых.

Кроме того, отношение длины пути траектории (s) к ее сквозному расстоянию (r) показывает (4g): хотя большинство траекторий довольно прямые, значительная часть кажется очень искривленной и петлеобразной.

Суть разных траекторий полета заключается в разных коммуникационных сигналах и поведенческих особенностях светляков. Например, длинные и нисходящие траектории наблюдались у самцов, ухаживающих за отвечающей самкой, расположенной на земле. А большие горизонтальные траектории могут соответствовать процессу исследования территории.

Следующий этап исследования перенес наблюдения за насекомыми из естественной среды в контролируемые условия. В небольшую камеру (5b) было размещено несколько самцов светляков, что позволило наблюдать за их поведением в зависимости от численности.


Изображение 5

График демонстрирует трехмерную реконструкцию световых вспышек, записанных в камере в течение 15 минут при наличии 40 особей.

За исключением небольшой части точек (около 1%), которые были расположены намного выше других и были удалены с графика, триангулированные точки определяют объем, который очень напоминает геометрию палатки. Массив точек, соответствующий светлякам, практически идеально повторяет форму тестовой камеры. Заметна даже изогнутость крыши камеры (ткань провисает под собственным весом; 5b).

Ученые не отрицают, что тестовая камера радикально отличается от естественной среды. Однако доступный объем камеры был достаточно большим (около 4 м3), чтобы светляки могли свободно перемещаться и летать, как показывают траектории на 6c.


Изображение 6

Если же в камере находился один самец, он непрерывно генерировал световые вспышки в течение всех 15 минут эксперимента (6a1), даже в отсутствии самки. Продолжительность вспышек обычно составляла от 0.10 с до 0.15 с (510 кадров), хотя также регистрировались и более короткие / длинные вспышки (7a).


Изображение 7

Свечения происходили сериями из 1 до 6 вспышек (чаще всего было 4 вспышки; 7b). Независимо от траектории полета, временной интервал между двумя последовательными вспышками был равен около 0.45 с (2530 кадров). Это видно и по распределению интервалов между вспышками (7c), и по пику 1.75 Гц в частотном спектре (6b1). Вспышки происходили и во время полета, и когда особи просто сидели на стенках камеры (6c1).

Важным наблюдением ученые называют факт того, что временные интервалы между последовательными свечениями (т.е. между сериями вспышек) не имели какой-либо схемы, в отличие от интервалов между отдельными вспышками. Время между свечениями варьировалось от 12 секунд до 1 минуты (7d).

Если же в камере находилось 5 самцов, свечение также происходило на протяжение всего периода наблюдения, но добавились и множественные полеты (6a2 и 6c2). Похоже, что светлячки пытались синхронизировать свое свечение, о чем свидетельствует временное распределение вспышек.

Действительно, большинство свечений состояло из как минимум двух одновременно активных светлячков, вспышки которых происходили синхронно (6a2).

Идентификация траектории, обеспечиваемая пространственной локализацией полос вспышек, позволяет лучше понять возникновение коллективной синхронизации.


Изображение 8

На изображении выше показано, что светлячок, который инициирует свечение, имеет тенденцию мигать дольше всех, а последователи начинают свои собственные вспышки уже синхронизированными.

Последователи могут либо остановиться перед мигающим лидером (8b), либо продолжить движение за ним (8a). Это предполагает, что мигающая информация может передаваться ретрансляционным способом внутри многочисленного роя.

Важно и то, что этапы свечения кажутся апериодическими (например, большой промежуток при t = 200 с на 6a2), однако появление пика на низких частотах (6b2) намекает на некоторую регулярность в схеме коллективного свечения.

Эта закономерность становится более выраженной, когда в камере находится 15 особей. В таком случае свечения возникают в определенном периодическом временном ряду (6a3), а заметные пики (и их гармоники) появляются в частотном спектре при 1/Tb = 0.08 Гц (6b3). Замеренная частота совпадает с той, что была получена во время наблюдений в естественной среде. Любопытно, что эта частота отсутствовала в опытах с одним светляком в тестовой камере. Интервал между вспышками на 1.75 Гц остается таким же, как и у одиночного светлячка (6b3).

Следовательно, это предполагает, что появление четко определенного интервала между всплесками является эмерджентным* свойством коллективного поведения.
Эмерджентность* появление у системы (в данном случае рой светляков) свойств, которыми не обладают ее отдельные элементы (в данном случае один светлячок).
Еще одним важным наблюдением является коллективная кинематика роя во время коллективного свечения. В большинстве свечений виден только один летающий светлячок, в то время как другие стоят или ходят по стенкам камеры (изображение 9 и видео 3).


Изображение 9


Видео 3: реконструкция траекторий полета светляков (соответствует изображению 9).

Траектория полета обычно начинается раньше всех и включает в себя наибольшее количество вспышек. Это наблюдение может быть связано с механизмом, который оптимизирует передачу информации при сохранении коллективных энергетических ресурсов группы. С другой стороны, это может выявить поведенческую дифференциацию.

Когда в камере находилось 40 особей, результаты наблюдений были схожи с теми, что и при наличии 15 особей. Однако в таких условиях имеется больше циклов свечения и больше отдельных вспышек, что позволяет более точно проанализировать процесс.

Вспышки возникают сериями, регулярно растянутыми во времени. Каждая серия состоит из нескольких синхронных вспышек и имеет ту же треугольную форму, что и в дикой природе, при этом количество вспышек медленно увеличивается, достигает максимума и затем медленно уменьшается (6a4). Подобное поведение можно назвать расширением парной синхронизации, наблюдаемой в камере с 5 особями.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


Важным отличием данного исследования от предшественников является наличие 360 камеры, что позволила запечатлеть куда больше информации, чем обычные камеры. Получив больше данных в естественной среде, ученые перепроверили их в контролируемых условиях.

Результаты наблюдений в контролируемых условиях с прогрессирующим увеличением численности наблюдаемого роя показывают, что синхронное, прерывистое свечение P. carolinus в дикой природе является результатом индивидуального и коллективного поведения. Хотя интервал между вспышками на 1.75 Гц идентичен для одного светлячка и для группы светлячков, появление четко определенного интервала между вспышками требует наличия множества особей.

Периодичность свечений проявляется, когда в камере находится более 15 особей. В ранее проведенных исследованиях утверждалось, что именно это число особей является минимальным порогом для проявления коллективного поведения.

Каждое свечение состоит из нескольких синхронных вспышек и имеет треугольную форму, аналогичную наблюдаемой в дикой природе. В синхронном свечении всегда участвовало подавляющее большинство особей, чего нельзя сказать про полет, так как лишь некоторые летали, пока остальные оставались неподвижны либо просто ползали по стенкам камеры. Также стоит отметить, что синхронное свечение самцов происходит даже в отсутствии самки, а его продолжительность составляет порядка 15 минут.

Ранее создавались математические модели, которые пытались описать синхронное свечение у светляков. Однако, учитывая ограниченность данных, эти модели не были точны. Хотя многие годы они считались абсолютно достоверными.

Полученные в ходе данного исследования сведения позволяют пересмотреть эти модели, улучшить и доработать их в будущем. Светлячки не синхронизируются за счет какой-то особенной нейронной связи, их поведение является простым копированием того, что делают другие особи в рое. Стоит одному светляку задать ритм, как его тут же подхватывают другие.
Ранее считалось, что синхронное свечение связано с ритуалом ухаживания самцов за самками. Однако тесты показали, что отсутствие самки в камере никак не помешало самцам синхронно светиться. Возможно, суть синхронного свечения заключается не в привлечении самок, а в конкурентной борьбе между самцами. Так или иначе, этот аспект поведения столь удивительных созданий еще предстоит изучить, чем ученые и намерены заняться в будущем.

Кому-то подобные исследования покажутся пустой тратой времени, однако такое утверждение будет слишком радикальным. Мы живем не в отрыве от мира, окружающего нас, а внутри него. Человек от природы любопытное создание, и отрицание проявлений любопытства близко к отрицанию собственной природы. Познание мира не всегда должно иметь какой-то практический смысл и капиталистический подтекст. Порой достаточно того, что мы узнали что-то новое, что-то удивительное и интересное. Знания в большинстве случаев это уже достаточная награда.

Пятничный офф-топ:

Говоря про необычных насекомых (как будто бывают обычные), нельзя не упомянуть богомола.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Энергия откуда не ждали графен и броуновское движение

07.10.2020 10:05:19 | Автор: admin


Некто когда-то сказал, что прогресс науки это результат бесконечного спора между учеными, которые регулярно пытаются опровергнуть или перепроверить теории друг друга. Безусловно, в этом есть смысл, ибо теория одного человека, какой бы идеальной она ни была на первый взгляд, остается умозаключением лишь одного человека. Следовательно, в споре рождается истина. Сегодня мы рассмотрим исследование, в котором ученые из университета Арканзаса предложили собирать энергию из Броуновского движения атомов графена. Загвоздка в том, что небезызвестный физик Ричард Фейнман уже давно говорил, что подобное невозможно. Как ученым удалось оспорить это высказывание, что для этого потребовалось, и насколько эффективен разработанный графеновый генератор энергии? Ответы на эти вопросы мы узнаем из доклада ученых. Поехали.

Основа исследования


Отдельно стоящие двумерные (2D) кристаллические мембраны демонстрируют уникальное внеплоскостное движение. В расслабленном состоянии листы отдельно стоящего графена имеют волнистую морфологию, в которой соседние области чередуются между вогнутой и выпуклой кривизной. Происхождение этой ряби нанометрового размера остается неизвестным.

Теоретические исследования утверждают, что источником этого является электрон-фононная связь, поскольку она подавляет жесткость длинноволнового изгиба и усиливает внеплоскостные флуктуации. Для состояния теплового равновесия была выведена система уравнений высоты графеновой мембраны, включая вспомогательные поля напряжений и кривизны. В рамках этой пертурбативной формулировки квантовой статистической механики круглые графеновые мембраны спонтанно изгибаются ниже критической температуры и выше критического радиуса. В этом же русле были проведены и численные исследования статической ряби в мембране, связанной с фермионами Дирака*. Они показали наличие фазового перехода от плоской к волнистой морфологии.
Фермион Дирака* фермион (частица с полуцелым спином), который не является античастицей.
Однако, как заявляют ученые, ранее не проводилось никаких исследований динамических флуктуаций с использованием гамильтониана*, включающего электроны Дирака, упругость и электрон-фононное взаимодействие.
Гамильтониан* оператор* полной энергии системы, куда входит и кинетическая, и потенциальная энергии.

Оператор* линейное отображение, действующее на волновую функцию, которая является комплекснозначной функцией, наиболее полно описывающей состояния системы.
Ранние феноменологические исследования моделировали электрон-фононное взаимодействие путем связывания точечных частиц в узлах гексагональной решетки со спинами Изинга*, которые претерпевают глауберовскую динамику*.
Модель Изинга*: каждая из вершин кристаллической решетки обозначается числом (спином), равным либо +1, либо -1. У спина имеется 2N (N число атомов решетки) возможных вариантов расположения, каждому из которых приписывается энергия, получаемая из попарного взаимодействия спинов соседних атомов.
Глауберовская динамика* метод моделирования модели Изинга на компьютере. Является разновидностью алгоритма Монте-Карло с марковскими цепями.
Спины обмениваются энергией с тепловым резервуаром*, их динамика демонстрирует рябь, а их взаимодействие с мембраной приводит всю систему в состояние равновесия.
Тепловой резервуар* термодинамическая система с достаточно большой теплоемкостью, позволяющей сохранять свою температуру на стабильном уровне даже при контакте с другими системами и/или окружающей средой.
Относительно недавнее исследование (Anomalous Dynamical Behavior of Freestanding Graphene Membranes) позволило измерить движение атомов вне плоскости в отдельно стоящем графене с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). Результаты этих измерений показали, что отдельные атомы в мембране испытывают броуновское движение* со спорадическими (редкими / одиночными) большими скачками.
Броуновское движение* беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных в жидкости или газе частиц твердого вещества, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа.
Редкие скачки высоты атомов графена соответствуют когерентным инверсиям кривизны ряби, на которой сидят атомы. Это согласуется как с молекулярной динамикой, так и с глауберовской динамикой спиновых мембран.

Для рассматриваемого нами сегодня исследования графен был выращен на Ni и перенесен на сверхтонкую медную сетку с решеткой из квадратных отверстий (ширина 7.5 мкм) и стержневых опор (ширина 5 мкм). РЭМ (растровая электронная микроскопия) исследование подтвердило, что 90% сетки было успешно покрыто графеном.

В работе использовался сканирующий туннельный микроскоп в условиях сверхвысокого вакуума (базовое давление 10-10 мбар) при комнатной температуре. Графеновая пленка была прикреплена к пластине для образцов на специальных стойках, позволяя наконечнику СТМ проходить через отверстия сетки. Также использовалась система шумоподавления и виброизоляции. Питание системы осуществлялось посредством аккумуляторной батареи с изолированным заземлением для достижения исключительно низкого механического и электрического шума.


Изображение 1

Точка контакта СТМ-иглы (зонда) и образца была включена в электрическую цепь (). Образец был изолирован от земли и подключен к двум диодам. Точка контакта в цепи выполняет роль переменного конденсатора. Туннельный ток, ток диода 1 (D1C) и ток диода 2 (D2C) контролировались одновременно. Такая диодная схема используется для сбора энергии, но в данном случае она использовалась, чтобы изолировать индуцированный графеном ток от тока батареи. При расстоянии между зондом и образцом менее 2 нм туннельные электроны преобладают в токе, а в случае больших расстояний преобладает ток смещения.

На 1b показан волнистый графен и изменения формы, вызванные напряжением. Когда напряжение смещения увеличивается, графен растягивается, и СТМ-игла перемещается вместе с графеном. На показано типичное измерение высоты мембраны во времени в точечном режиме с постоянным током. Важно отметить, что в ходе данного эксперимента игла микроскопа передвигалась исключительно вертикально.

График 1d показывает туннельный ток в зависимости от времени как для неподвижного графена (т.е. графена на меди), так и для отдельно стоящего графена. Для отдельно стоящего образца средний ток такой же, как у неподвижного образца, но колебания в 100 раз больше (10 пА против 0.1 пА). Важно и то, что результаты, показанные на 1d, не зависит от приложенного напряжения смещения (до 3 В) и настройки усиления обратной связи.

По мере увеличения уставки* тока (SPC от setpoint current) стандартное отклонение также увеличивается (1e), что может быть связано с нагревом образца.
Уставка* желаемое или целевое значение важной переменной или процесса в системе.
При экстраполяции к нулевому туннельному току флуктуации по-прежнему вносят вклад в ток смещения в размере 20 пА.

Чтобы измерить ток смещения при нулевом туннельном токе, иглу СТМ постепенно отклоняли от образца, пока расстояние не стало слишком большим для туннелирования электронов через вакуумный барьер. В этом положении SPC находится на уровне 50 нА, тем самым используя цепь обратной связи, чтобы игла СТМ оставалась неподвижной.

После этого было приложено напряжение смещения постоянного тока и отслеживание D2C во времени ().


Изображение 2

При одном вольте ток не индуцируется, но при 15 В и 45 В систематически наблюдались резкие и зависящие от времени пики D2C.

На 2b показаны вольт-амперные характеристики (ВАХ) диода при низком значении тока. Далее были проведены расчеты мощности, рассеиваемой в диоде 2 (2c), которая достигает 40 пВт.

На 2d собраны данные по средней мощности для большого количества отдельно стоящих и неподвижных образцов. Отсутствие тока для неподвижного образца подтверждает, что загрязнение и эмиссия электронного поля не являются источниками D2C.

Эти данные предполагают, что электрическая работа* совершается на D2 движением графена, даже если он поддерживается при одной температуре (т.е. при комнатной температуре).
Электрическая работа* работа, совершаемая над заряженной частицей электрическим полем.
Ученые уверены, что работа может выполняться, находясь в термодинамическом равновесии, и более глубокое понимание этого прольет свет на потенциальные методы получения неравновесной энергии. Для этого была создана модель ().


Изображение 3

Атом углерода, ближайший к игле СТМ, находится над волнистостью, которая колеблется между выпуклой и вогнутой кривизной. Данная ситуация моделируется как броуновская частица в двухъямном потенциале, контактирующая с тепловым резервуаром при температуре T.

Игла СТМ и образец действуют как конденсатор переменной емкости C(x) = C0 / (1 + x/d), где d + x(t) мгновенное расстояние между иглой СТМ и образцом, x(t) (x d) вертикальное положение атома углерода, измеренное по отношению к плоской конфигурации графеновой мембраны.

Если мгновенный заряд и падение напряжения конденсатора игла-образец равны q(t) и u(t), то электростатическая сила, действующая на частицу будет равна qu / [2(d + x)] = q2 / (2C0d).

Формула заряда q(t) следует из правил Кирхгофа (соотношение между токами и напряжениями на участках электрической цепи). Следовательно, связанные системы частиц и цепи удовлетворяют уравнениям Ланжевена-Ито (описывает броуновское движение):



где U(x) = x4 2x2 это двухъямный потенциал;
C0V2/2d это постоянное напряжение из-за растяжения графена;
R = R + RE это полное сопротивление;
1/RE = 2I0/uD sinh uD/Te это эквивалентное сопротивление диодов;
uD падение напряжения на диодах, Te = T/e;
/q(T/R) это коррекция дрейфа, вызванного шумом;
v и q это независимый и одинаково распределенный белый шум с дельта-корреляциями i(t)j(t) = ij(t t) i,j = v, p.

Уравнение цепи имеет шум Найквиста (тепловой шум*) при температуре T, которая установлена на том же уровне, что и пульсация графена.
Тепловой шум* равновесный шум, вызванный тепловым движением носителей заряда в проводнике, в результате чего на концах проводника возникает флуктуирующая разность потенциалов.
Член /q(T/R) гарантирует детальное равновесие* и факт того, что вся система достигает теплового равновесия при температуре T.
Принцип детального равновесия* заключается в равенстве вероятностей прямого (n m) и обратного (m n) переходов между дискретными состояниями системы m и n.
Чтобы убедиться в правдивости данного утверждения, необходимо было сформулировать уравнение для плотности вероятности электронов со скоростями переходов, подчиняющимися детальному равновесию. Вероятность перехода была представлена как T(iD1 + iD2)/(e2uD) = T/(e2R), что согласуется с правилом Кирхгофа для токов.

Гамильтониан системы () был равен:



А равновесная плотность вероятности равна e-H/T/Z, где Z константа нормализации.

С точки зрения графеновой ряби, представленной частицей в формуле 1 цепь представляет собой внешнюю систему, которая воздействует на рябь. В таком случае тепло, создаваемое силами трения и шума, будет равно:


где q = q(t) внешний параметр, а dQ > 0, если частица поглощает тепло.

Используя равновесную плотность вероятности для вычисления среднего и интегрирования по частям, средняя мощность, поглощаемая частицей, оказывается равной нулю. Падение напряжения такое же, как падение на эквивалентном резисторе R. Усредненная по времени мощность, рассеиваемая на резисторе, равна усредненной по времени мощности, поставляемой тепловым резервуаром.

Таким образом, с точки зрения резистора, движение графеновой ряби создает постоянный источник средней тепловой мощности (3b).

Данные выводы были подтверждены посредством численного моделирования уравнения 1, в котором использовались T = 0.5; = 1; d = 10; I0 = 0.0002 и Te = 0.1. Чтобы учесть изменение формы графена, было включено падение C0 с 5 до 1 при увеличении V от 1 до 10. Положение частицы x и заряд на конденсаторе q колеблются со временем ( и 3d).

Отдельно были определены два члена средней мощности для полупериода q > 0, в котором ток через диод 2 проходит против часовой стрелки. Даже в полупериоде два члена равны. На показана средняя мощность (генерируемая и рассеиваемая) и прогноз Найквиста.


Демонстрация принципа работы разработанной цепи.

Было обнаружено, что мощность увеличивается с увеличением напряжения смещения, что наблюдалось и в ходе экспериментов. Данные по сопротивлению и мощности из экспериментов (изображение 2) позволили оценить электрическую емкость точки контакта иглы микроскопа и графена, которая равна 1 фФ (фемтофарад).

Ученые отмечают, что точная формула тепловой мощности отличается от варианта Найквиста: мощность включает в себя вклады от броуновского движения ряби графена, а не только от электронов. В результате двухъямный потенциал вводит новую шкалу времени скорость пересечения барьера. Это приводит к возникновению колебаний очень низкой частоты. Для иллюстрации этого на 3f показана средняя спектральная плотность мощности, рассеиваемая в резисторе, построенная с использованием двух разных времен релаксации скорости 1 и 10. Общая рассеиваемая мощность такая же, а уменьшение скорости пересечения барьера перераспределяет мощность на более низкие частоты.

Для более детального рассмотрения результатов исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог


В данном труде ученые провели исследование термического воздействия в отдельно стоящих графеновых мембранах с помощью точечной сканирующей туннельной микроскопии. Пульсация графена, наблюдаемая рядом с иглой микроскопа, была смоделирована как броуновская частица в двухъямном потенциале. Когда графен движется, заряд должен проходить по цепи и выполнять электрические работы.

Данная модель показывает, что непрерывная тепловая энергия может генерироваться броуновской частицей при одной температуре, находясь в термодинамическом равновесии, при условии, что такое же количество энергии постоянно рассеивается в резисторе. В таком случае подключение к цепи позволяет выполнять электрические работы на нагрузочном резисторе без нарушения второго закона термодинамики.

В условиях созданной системы графен и электрическая цепь поддерживают работу друг друга. Несмотря на то, что тепловая среда выполняет работу с нагрузочным резистором, температура графена и цепи остается одинаковой, а тепло между ними не протекает. Таким образом нет противоречий по отношению к второму закону термодинамики.

Важно и то, что относительно медленное движение графена индуцирует ток в цепи на низких частотах. Эта находка может стать очень полезной в будущем, поскольку электроника работает более эффективно именно на низких частотах.

В будущем ученые намерены продолжить свое исследование. Они хотят выяснить, можно ли хранить постоянный ток в конденсаторе для последующего использования. Для реализации этой задумки необходимо провести миниатюризацию схемы и нанесение ее на кремниевую пластину или микросхему. По словам ученых, если успешно построить кластер из миллиона таких схем размером 1х1 мм, то он смог бы заменить маломощные батарейки.

Возможно, подобные планы звучат не особо грандиозно, но любые исследования, любые свершения, изменившие мир, начинались с малого. Для достижения конечного результата нужно лишь упорство, время и терпение.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Металлизация алмаза превращение изолятора в полупроводник

09.10.2020 10:12:07 | Автор: admin


Преобразование одного вещества в другое, изменение свойств материала под собственные нужды, трансформация материи. Все эти действия сочли бы за колдовство и ересь буквально пару сотен лет назад. Сейчас же это вполне обыденные процессы, которые можно наблюдать в современных лабораториях. Однако есть нечто, что сделать по факту нереально или, как минимум, крайне сложно. В рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые из МТИ (Массачусетский технологический институт, США) решили радикально изменить электрические свойства алмаза, превратив его из диэлектрика в проводник. Как это было достигнуто, каковы характеристики алмаза-проводника, и где может пригодиться подобная разработка? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


В далеком 1949 году Кэрол Чэннинг впервые исполнила песню Бриллианты лучшие друзья девушек, которая большинству из нас известна в исполнении Мерлин Монро. Правдиво ли данное высказывание касательно драгоценного камня каждый может судить по себе индивидуально.

Бриллианты это красивые драгоценные камни, которые прекрасно смотрятся в украшениях или на музейных полках. Но вот их предшественники куда интереснее с научной точки зрения. Речь, конечно, об алмазах.

Алмаз это кубическая аллотропная форма углерода. Срок годности этого минерала в нормальных условиях фактически неограничен, так как он является метастабильным материалом. Также всем известен факт того, что алмаз является одним из самых твердых веществ на планете. Физико-химические свойства алмаза сделали его важнейшей составляющей для многих приборов и центром внимания многих исследований. Среди них и труды по электропроводимости, в которых алмазы наделяли свойствами проводника посредством внедрения примесей (например, бора).

Но в таком случае, преобразование алмаза в проводник происходит посредством допирования. Другими словами, сам алмаз по-прежнему остается изолятором.

Однако, как заявляют авторы сего исследования, открытие сверхбольшой упругой деформации в наноразмерном алмазе и более точное описание его электронной и фононной структур посредством машинного обучения позволили расширить спектр манипуляций, которые можно проводить с алмазами.

Получив новые данные и новые инструменты для исследований, ученые задались вопросом: может ли алмаз со сверхширокой запрещенной зоной (5.6 эВ) быть полностью металлизирован исключительно за счет механической деформации без фононной нестабильности, так чтобы его электронная запрещенная зона полностью исчезла? Как оказалось, это вполне реально.

Прежде всего ученые обращают наше внимание на другое исследование (Ultralarge elastic deformation of nanoscale diamond), в котором говорится, что монокристаллические и поликристаллические алмазные наноиглы (диаметр 300 нм) могут быть обратимо деформированы до локальных упругих деформаций растяжения выше 9% и 3.5% при комнатной температуре. Это умозаключение было подтверждено в последующих исследованиях, где объектом изучения были алмазные наноразмерные столбы, полученные с помощью резки образцов природного алмаза сфокусированным ионным лучом.

В рассматриваемом нами сегодня труде наибольшие локальные деформации растяжения 13.4% (ориентация решетки <100>) и 9.6% (ориентация решетки <110>) были достигнуты в наноиглах монокристаллического алмаза с ориентацией при изгибе. При этом соответствующие максимальные локальные деформации сжатия 14
% и -10.1% наблюдаются на стороне сжатия.

Получить такие результаты стало возможным за счет расчетов, экспериментов, моделирования и, что самое важное, машинного обучения, алгоритм которого должен определить оптимальные свойства алмаза для различных геометрий и условий нагрузки путем сканирования всех возможных комбинаций состояний деформации в общем шестимерном (6D) пространстве деформации.

Перед проведением фактического исследования ученые определили ряд основных вопросов, на которые они хотели бы получить ответы:

  • можно ли исключительно посредством наложения напряжения металлизировать алмаз при комнатной температуре и давлении? При этом необходимо достичь перехода от его естественного недеформированного состояния со сверхширокой запрещенной зоной (5.6 эВ) до полной металлизации с шириной запрещенной зоны 0 эВ без фононной нестабильности или структурных преобразований (например, графитизация).
  • какие состояния деформации и наименьшая плотность энергии деформации необходимы для достижения безопасной металлизации запрещенной зоны?
  • насколько такая безопасная металлизация может быть реализована в условиях деформаций, достижимость которых была доказана экспериментально?
  • как кристаллографические и геометрические переменные влияют на металлизацию алмаза?
  • какие условия запускают преобразование непрямого перехода запрещенной зоны в прямой или конкурирующий переход фазы графитизации в алмазе при деформации?

Результаты исследования


Забегая наперед, можно сказать, что в алмазе можно достичь электронной запрещенной зоны 0 эВ исключительно за счет наложения обратимых упругих деформаций, не вызывая фононную нестабильность или фазовый переход. Это открытие подразумевает, что обратимая металлизация/деметаллизация возможна за счет правильной комбинации условий механической нагрузки и геометрии в наноразмерном алмазе.

Было установлено, что безопасная металлизация может быть достигнута при значениях плотности энергии упругой деформации порядка 95275 мэВ/3. При этом даже незначительный изгиб <110> наноиглы может эффективно уменьшить ширину запрещенной зоны с 5.6 эВ до 0 эВ без фононной нестабильности при локальной упругой деформации сжатия около 10.8%. Однако увеличение напряжения изгиба может вызвать фононную нестабильность, которая приводит к необратимому фазовому переходу sp3 sp2 (алмаз графит) или разрушению образца.


Изображение 1

Выше представлены некоторые 6D-состояния деформации, которые приводят к исчезновению запрещенной зоны алмаза без фононной неустойчивости или графитизации. В кристаллографической системе координат [100] [010] [001] расчеты показывают, что одна такая полная и безопасная металлизация происходит, когда локальное состояние деформации 6D составляет (0.0536, -0.0206, -0.056, 0.0785, 0.0493, 0.0567).

На 1A представлен k-график GW* электронной зонной структуры для алмаза, деформированного до 6D состояния, указанного выше, в результате чего получается металл.
GW*: электронные зонные структуры алмаза при деформации растяжения могут быть предсказаны с высокой точностью на основе теории функционала плотности (DFT) с последующими расчетами GW (G функция Грина; W экранированное кулоновское взаимодействие).
Контуры плотности энергии деформации построены в двумерном (2D) пространстве на 1B, где черной звездой отмечен h = 98.7 мэВ/3.


Изображение 2

Изображение выше дополнительно иллюстрирует области безопасной металлизации алмаза без фононной нестабильности, а также демонстрирует обратимые преобразования прямозонный/непрямозонный при больших упругих деформациях.
Прямозонный полупроводник, в котором переход из зоны проводимости в валентную зону не сопровождается потерей импульса.

Непрямозонный полупроводник, в котором переход из зоны проводимости в валентную зону сопровождается потерей импульса.
На показаны возможные состояния деформаций 11, 22, 33, охватывающие от -20% (т.е. деформация сжатия 0.2) до +10% (т.е. деформация растяжения 0.1), в которых индуцируется безопасная металлизация (отмечено коричневым цветом). В свою очередь, является двумерной репрезентацией областей металлизации.

Посредством компьютерного моделирования было установлено два типа безопасной металлизации: прямой металл и непрямой металл (где переход зона-граница непрямой, т.е. из двух разных k-точек).

Двумерная область прямого металла, заштрихованная коричневым цветом, охватывает деформированное состояние, обозначенное звездой из . Эта зона встроена в пространство деформации прямой запрещенной зоны (синяя область на 2B). Область непрямого металла, также заштрихованная коричневым, окружена белой зоной, представляющей пространство деформации для непрямой запрещенной зоны.

На структура GW зоны перенесена в k-пространство, чтобы проиллюстрировать непрямое состояние металла в точке c (2B) внутри зоны безопасной металлизации. 2D и являются диаграммами зонной структуры, показывающими примеры ненулевых случаев прямой и косвенной запрещенной зоны.

Область, заштрихованная серым цветом вне пунктирных линий, это область больших упругих деформаций и нестабильной металлизации, где происходит фононная неустойчивость, приводящая к зарождению дефектов и/или фазовому переходу. А на 2F видно заметное уменьшение частоты фононов и возникновение мягкой моды, связанной с точкой деформации f на 2B, где имеет место фононная нестабильность и связанный с ней фазовый переход от алмаза к графиту.

Эксперименты показывают, что алмазные наноиглы перед разрушением демонстрируют сверхбольшой упругий изгиб. Такая деформация, приводящая к локальным деформациям сжатия, превышающим -10%, и деформациям растяжения, превышающим 9%, является обратимой после снятия нагрузки.

Далее было проведено моделирование для определения модуляции запрещенной зоны в изогнутых алмазных наноиглах при максимальных уровнях локальной деформации.


Изображение 3

На схеме показан способ, при котором наконечник алмазного индентора надавливает на алмазную наноиглу, вызывая большую деформацию. Был применен метод конечных элементов (МКЭ), позволивший смоделировать латеральный изгибающий момент алмазной иглы во время контакта с острием индентора при учете нелинейной упругости, ориентации кубической решетки относительно оси иглы, направления изгиба и возможного трения между наконечником индентора и иглой.

Изображение это результаты МКЭ моделирования для локальных деформаций сжатия (максимум -10.8%) и растяжения (максимум 9.6%) <110> алмазной наноиглы. Тут же представлены прогнозы распределения ширины запрещенной зоны.

Начало безопасной металлизации появляется на сильно напряженной стороне наноиглы при локальной деформации -10.8% (3C). Также было установлено, что склонность к более металлическому поведению с увеличением деформации не зависит от трения между индентором и наноиглой. <110> наноигла может выдерживать не более 12.1% локальной деформации растяжения до возникновения фононной нестабильности на стороне растяжения при ширине запрещенной зоны 0.62 эВ (3D).


Эволюция плотности энергии упругой деформации, ширины запрещенной зоны и соответствующей зонной структуры в месте максимального сжатия на наноигле, показывающая процесс металлизации алмазной наноиглы при изгибе (соответствует изображению 3).

Сторона наноиглы, где протекает сжатие, куда более устойчива к деформациям. Максимально достижимая деформация сжатия может составлять порядка -20% при ориентации с низким показателем преломления. Следовательно, можно предположить, что есть место для дополнительной упругой деформации после достижения безопасной металлизации в областях с преобладающим сжатием.

Еще одним важным аспектом, определяющим степень деформации и результирующую модуляцию запрещенной зоны, является кристаллографическая ориентация оси наноиглы.

Среди трех изученных типов <110>- и <111>-ориентированные наноиглы требуют относительно меньших деформаций растяжения для уменьшения ширины запрещенной зоны за счет деформации, тогда как ориентация <100> является наиболее сложной ориентацией для уменьшения ширины запрещенной зоны ниже 2 эВ или достижения металлизации. Это можно объяснить различием в гибкости доступа ко всем шести компонентам тензора деформации, выраженным в системе координат [100] [010] [001].

Несмотря на возможность чрезвычайно большой деформации в <100> -ориентированной наноигле, эта ориентация в первую очередь способствует нормальным деформациям, и результирующее максимальное уменьшение ширины запрещенной зоны ограничивается достижением фононной нестабильности, вызывающей разрушение или фазовое преобразование.

А вот для <110> и <111>-ориентированных наноигл намного легче инициировать различные компоненты деформации и, следовательно, легче провести преобразование зонной структуры и достичь модуляции запрещенной зоны.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


Ученые заявляют, что помимо рассмотренных в данном труде вариантов алмазных структур, можно создать более сложные геометрические формы с отверстиями и впадинами за счет оптимизации топологии и микро- и наномеханической обработки геометрических элементов, не подвергая металлизированную зону воздействию приповерхностных областей, что еще больше увеличивает возможности металлизации алмаза.

Когда деформированный алмаз превращается в полупроводник с прямой запрещенной зоной, даже только локально в месте максимальной деформации, он будет демонстрировать фундаментальное улучшение оптических переходов вокруг края адсорбции по сравнению с недеформированным алмазом в его естественном состоянии. Поскольку поглощение экспоненциально увеличивается с толщиной материала, устройство преобразования световой энергии на основе полупроводника с прямой запрещенной зоной потребует гораздо меньшей толщины, чтобы поглощать такое же количество света. Следовательно, данный подход может быть использован в разработке новых типов фотодетекторов и излучателей от ультрафиолета до дальнего инфракрасного диапазона, работающих на одном кусочке алмаза.

Также важно отметить, что достижение полной металлизации алмаза в условиях упругих деформаций выше 80 мэВ/3 или при локальной упругой деформации на сжатие или растяжение > 9% является крайне сложным делом. Однако успешная реализация этой разработки может иметь значимый эффект на развитие электроники, оптоэлектроники и систем квантового зондирования.

Однако характеристики системы будут напрямую зависеть от ее практического применения. Другими словами, систему можно будет оптимизировать в зависимости от задач, которые она должна выполнять. На данный момент ученые смогли практическим путем доказать работоспособность своего творения. Пока это лишь концепция, однако она может быстро перейти от теории к практике, учитывая скорость развития технологий выращивания однородных алмазных материалов.

Несмотря на все сложности практической реализации полученных знаний, они по-прежнему остаются крайне важными элементами понимания того, как те или иные материалы с давно определенными свойствами способны менять их в зависимости от внешних факторов.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Скорость звука каков ее предел?

14.10.2020 10:20:11 | Автор: admin


Одна из основных задач какой-либо точной науки заключается в измерении и объяснении тех или иных процессов, а также их участников. За многие годы исследований, расчетов и споров научное сообщество пришло к пониманию того, что существуют определенные ограничения в некоторых явлениях. К примеру, скорость света в вакууме равна 299 792 458 м/с. Согласно специальной теории относительности, ничто не может двигаться быстрее. Другими словами, мы имеем верхний скоростной лимит для света. Однако такой лимит для скорости звука пока не был установлен. Ученые из Лондонского университета королевы Марии (Англия, Великобритания) провели расчеты, результатом которых стало открытие верхнего предела скорости звука. Что стало основой расчетов, каковы их результаты, и в каких областях можно применить новообретенные знания? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Звук это волны механических колебаний в какой-либо среде. Скорость распространения этих волн напрямую зависит от самой среды. К примеру, в твердых объектах звук распространяется быстрее, чем в воздухе. Однако и тут могут быть флуктуации в измерениях, поскольку важна не только среда как таковая, но и ее состояние (температура, давление и т.д.).

Логично, что скорость звука сложно назвать константой, так как в разных условиях она будет своя: в воздухе это 331 м/с, в воде 1500 м/с (тут будут вариации в зависимости от температуры, давления и солености воды), а в стекле 4800 м/с.

Но как же рассчитать верхний лимит скорости звука?

Как напоминают нам ученые, некоторые важные свойства конденсированных фаз* определяются фундаментальными физическими константами.
Конденсированные фазы* состояние вещества, когда число его компонентов (атомов, молекул и т.д.) крайне велико, а взаимодействия между компонентами очень сильны. К числу таких фаз можно отнести и твердые вещества, и жидкости.
Радиус Бора позволяет охарактеризовать межатомное расстояние в ангстрем (1 = 0.1 нм) масштабах с точки зрения массы электрона (me), заряда (e) и постоянной Планка (h). Эти же фундаментальные константы входят в энергию Ридберга*, задавая масштаб характерной энергии связи в конденсированных фазах и химических соединениях.
Постоянная Ридберга* предельное значение наивысшего волнового числа любого фотона, который может быть испущен атомом водорода. Также эта постоянная определяет волновое число фотона с наименьшей энергией, способного ионизировать атом водорода в его основном состоянии.
Тем не менее крайне важную в физике играют безразмерные и не зависящие от единиц измерения константы. К ним относятся постоянная тонкой структуры* и отношение массы протона к массе электрона*.
Постоянная тонкой структуры* () фундаментальной физической постоянной, которая характеризует силу электромагнитного взаимодействия. Эта постоянная определяет размер крайне малого изменения величины энергетических уровней атома и образования тонкой структуры, которые являются набором узких и близких частот в его спектральных линиях.
Отношение массы протона к массе электрона* (mp/me константа, равная 1836,15267261.
Объединение этих констант позволяет определить новую безразмерную константу, описывающую верхнюю границу скорости звука (vu) в конденсированных фазах (формула 1):

где c скорость света в вакууме, постоянная тонкой структуры, mp/me отношение масс протона и электрона, vu верхний предел скорости звука.

Подтверждение верности данной формулы было получено благодаря многочисленным экспериментам и моделированию атомарного водорода.

Результаты исследования


Авторы сего труда отмечают, что существует два подхода к определению v (скорости звука). Один поход начинается с оценки упругости системы, а второй с оценки ее вибрационных свойств. Оба подхода дают сопоставимые результаты (приготовьтесь, формул будет немало).

Что касается упругости системы, то продольная скорости звука равна: v = (M/p)1/2, тогда как M = K + 4/3G, где K объемный модуль упругости; G модуль сдвига; p плотность.

Было установлено, что упругие постоянные определяются плотностью электромагнитной энергии в конденсированных фазах. В частности, была установлена четкая связь между модулем объемной упругости (K) и энергией связи (E): K = f E/a3, где а межатомное расстояние, f коэффициент пропорциональности.

Это соотношение может быть выведено с точностью до константы, задаваемой второй производной функции, представляющей зависимость энергии от объема. Для наиболее прочно атомарно связанных твердых тел f варьируется в диапазоне от 1 до 4. Также стоит учесть и коэффициент пропорциональности между M и E/a3, который варьируется от 1 до 6.

Объединение v = (M/p)1/2 и М = f E/a3 в результате дает v = f1/2(E/m)1/2, где m масса атома или молекулы (в данном случае использовалась m = pa3). Коэффициент f1/2 составляет примерно от 1 до 2 и может быть исключен в случае приблизительной оценки v. В таком случае мы получим (формула 2):

Энергия связи в конденсированных фазах определяется ридберговской энергией порядка нескольких электрон-вольт (формула 3):

где е заряд электрона, m масса электрона. ER используется для оценки величины энергии связи (E).

Используя E = ER из формулы 3 в формуле 2 мы получим (формула 4):

где = (1/40)(e2/hc) постоянная тонкой структуры.

Такой же результат, как и в формуле 4, можно получить и посредством второго подхода, где основной акцент поставлен на рассмотрении вибрационных свойств системы.

Продольную скорость звука (v) можно оценить как фазовую скорость по кривой продольной дисперсии [ = (k)] в приближении Дебая: v = D/kD, где D это частота Дебая; kD волновой вектор. Применение kD = /a (a межатомное/межмолекулярное расстояние) приводит к (формула 5):

Как мы уже рассматривали ранее, характеристики межатомного разделения описываются радиусом Бора (aB) в ангстрем масштабах (формула 6):

Далее было использовано отношение между фононной энергией (hD) и E. Фононная энергия может быть выражена как h(E/ma2)1/2. Если взять отношение hD/E, использовать а = aB из формулы 6 и E = ER из формулы 3, то в результате получится (формула 7):

Применение формулы 7 в формуле 5 дает следующее (формула 8):

Сравнение данных расчетов с первым подходом указывает на то, что второй подход использует больше приближений, потому ученые решили на дальнейших этапах исследования использовать первый подход (формула 4), который является более точным.

Далее выбранный подход был проверен на более практическом уровне.

me характеризует электроны, которые отвечают за взаимодействия между атомами. Электронный вклад далее отражается в коэффициенте c (c e2/h), который представляет собой скорость электронов в модели Бора. Ученые отмечают, что с и v не зависят от c. Использование формулировки v в виде с в формуле 4 обусловлено двумя факторами.

Во-первых, так намного удобнее и информативнее представлять границу в отношении vu/c, что обычно применяется в отношении скорости Ферми и скорости света (vF/c).

Во-вторых, именно (наряду с mp/me) имеет фундаментальное для стабильности протонов и обеспечения синтеза тяжелых элементов и, следовательно, существования твердых тел и жидкостей, в которых звук может распространяться.

m формула 4 характеризует атомы, участвующие в распространении звука. Его масштаб задается массой протона mp: m = Amp, где A атомная масса. Учитывая, что А = 1, а m = mp, применение формулы 4 позволяет определить значение верхней границы скорости звука (формула 9):

Таким образом было показано, что vu зависит только от фундаментальных физических констант, включая безразмерную постоянную тонкой структуры и отношение масс протона и электрона.

Вышеуказанная формула является расширенным вариантом формулы 4 для атомарного водорода. Объединение формул 4 и 9, при учете m = Amp, позволяет получить (формула 10):

Что ж, теперь можно немного отдохнуть от формул и приступить к обсуждению расчетов и экспериментов.

Ученые отмечают, что хоть скорость звука определяется модулями упругости и плотностью, они существенно отличаются в зависимости от типа связи: сильные ковалентная, ионная или металлическая связи, обычно дающей большую энергию связи, промежуточные водородные связи, а также слабые дипольные и ван-дер-ваальсовые взаимодействиям. Модули упругости и плотность также меняются в зависимости от конкретной конструкции, которую принимает система. Кроме того, тип связи и структура сами по себе взаимозависимы: ковалентная связь приводят к образованию открытых структур, а ионная плотноупакованных. Следовательно, скорость звука для конкретной системы не может быть предсказана аналитически и без явного знания структуры и взаимодействий внутри нее, подобно другим системно-зависимым свойствам, таким как вязкость или теплопроводность.

Тем не менее зависимость v от m или A может быть изучена в семействе элементарных твердых тел. Элементарные твердые вещества не имеют смешанных особенностей, существующих в соединениях из-за смешанной связи между разными атомными разновидностями (включая смешанную ковалентно-ионную связь между одними и теми же парами атомов, а также разные типы связи между разными парами).


Изображение 1

Теория была проверена на практике с применением 36 различных элементарных твердых тел, в том числе полупроводников и металлов с большими энергиями связи. Результаты теоретических расчетов были объединены с результатами опытов на графике выше. Прямая линия на графике (формулу 10) оканчивается ее верхней теоретической границей (формула 9) для A = 1. Линейный коэффициент корреляции Пирсона*, рассчитанный для экспериментального набора (log A, log v), составил -0.71. Его абсолютное значение немного выше границы, условно разделяющей умеренную и сильную корреляции.
Коэффициент корреляции Пирсона* используется для изучения связи двух переменных, измеренных в метрических шкалах на одной и той же выборке.
Расчетные и экспериментальные значения vu, показанные на графике прямой и пунктирной линиями, указывают на пересечение в точке 37.350 м/с, что подтверждает верность расчетных походов и, особенно, верность аппроксимации коэффициент в формуле 4, что дает хорошее согласование с экспериментальными данными.


Изображение 2

Далее было решено проверить согласование расчетных данных с экспериментальными с применением более широкого спектра образцов (133 образца). Экспериментальные значения v были меньше, чем верхняя теоретическая граница vu в формуле 9. vu примерно вдвое больше v в алмазе, это является самой высокой скоростью звука, измеренной в условиях окружающей среды.

Формула 10 может использоваться для приблизительного прогнозирования средней или характеристической скорости звука (v). A1/2, которая, согласно формуле 10, относится к скорости звука, варьируется по периодической таблице в диапазоне от 1 до 15 со средним значением 8. Согласно расчетам соответствующее значение v равно 4513 м/с. Это на 16% согласуется с 5392 м/с средним значением по всем элементарным твердым телам, и на 14% с 5267 м/с средним значением по всем твердым телам на графике выше.

В эксперименты также были включены данные по скорости звука в жидкости при комнатной температуре, которые варьируются от 1000 до 2000 м/с. Однако в высокотемпературных жидких металлах, таких как Al, Fe, Mg и Ni, v достигает более высоких значений в диапазоне от 4000 до 5000 м/с. Из этого следует, что скорость звука в жидкостях полностью удовлетворяет расчетную верхнюю границу скорости.

Ученые отмечают, что хоть приближения, использованные в некоторых формулах, и могут повлиять на вычисление v и его оценку, vu все же формируется исходя из фундаментальных констант. Другими словами, в конечном итоге приближения не имеют столь значимого влияния.

Также было установлено, что рассчитанное значение верхней границы скорости звука применимо к твердым телам не только с сильной межатомной связью, но и со слабой. Формула 3, 6 и 7 предполагают, что валентные электроны непосредственно участвуют в связывании. Следовательно, они играют важную роль в системах с металлической, ковалентной и ионной связью. Несмотря на то, что связывание в твердых телах со слабой связью также имеет электромагнитное происхождение, слабые дипольные и ван-дер-ваальсовые взаимодействия приводят к меньшему E и, как результат, меньшему v. Потому из этого следует, что верхняя граница vu применима и к слабосвязанным системам.

Ученые отмечают, что верхняя граница vu соответствует твердому водороду с прочной металлической связью. Данная фаза вещества существует только при мегабарном давлении и динамически нестабильна при атмосферном давлении, где происходит образование молекул. Посему было решено провести расчеты v в атомарном водороде, чтобы подтвердить верность расчетов как таковых.

Расчеты скорость звука в атомарном водороде проводились с применением структуры I41/amd, которая является наилучшей структурой-образцом для твердого атомарного металлического водорода. Известно, что эта структура становится термодинамически стабильной в диапазоне давлений от 400 до 500 ГПа, ниже которого твердый водород является молекулярным твердым телом. Однако было обнаружено, что I41/amd динамически устойчива при давлениях выше примерно 250 ГПа, поэтому расчеты проводились в диапазоне давления от 250 до 1000 ГПа.


Изображение 3

На графике выше представлена скорость звука как функция давления и плотности. Рассчитанное значение скорости звука было ниже значения vu в широком диапазоне давлений. Увеличение v выше расчетной верхней границы возникает лишь при давлении 600 ГПа и выше. Следовательно, при нормальных условиях скорость звука не будет превышать расчетную верхнюю границу.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог


В данном труде ученые определили, что важнейшую роль в оценке максимально возможной скорости звука играют две фундаментальные константы постоянная тонкой структуры и отношение массы протона к массе электрона.

Проведенные расчеты были проверены на практике с применением разнообразных материалов. Эксперименты позволили установить, что скорость звука должна уменьшаться с атомарной массой. Из этого следует, что максимальная скорость звука достигается в твердом атомарном водороде, который может существовать в таком виде лишь при очень высоком давлении. Тем не менее было установлено, что верхняя граница скорости звука в рамках данного исследования составляет 36100 м/с. С практической точки зрения, подобные исследования крайне важны для понимания тех или иных материалов, а также их свойств.

Естественно, ученые не намерены останавливаться на достигнутом. Их расчеты и соответствующие экспериментальные данные требуют перепроверки, уточнения и дополнительного подтверждения. В будущем данное исследование будет продолжено, а верхняя граница скорости звука может неожиданно сместиться в большую или меньшую сторону ввиду новых данных. Как бы то ни было, фундаментальный подход остается прежним, а сам факт лучшего понимания процессов, протекающих вокруг нас, позволяет с уверенностью смотреть на развитие данного исследования.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Инженерия для муравьев как не утонуть в сиропе

16.10.2020 10:22:46 | Автор: admin


Насекомые удивительные создания. Многие из них обладают крайне необычными свойствами и умениями. Кто-то испускает свет, кто-то может пережить ядерный удар, а кто-то бегает так быстро, что вынужден останавливаться, чтобы понять свое местоположение. Уникальностей много, как и семейств насекомых. Муравьи же уникальны своей численностью, организованностью и беспрекословной верой в монархию (Боже, храни Королеву). Разные виды муравьев проявляют те или иные навыки в зависимости от среды обитания и гастрономических предпочтений. К примеру, красные огненные муравьи (Solenopsis invicta) используют собственные тела для постройки живого плота, чтобы пережить наводнения. Однако этот метод спасения от смерти через утопление не является единственным, так как муравьи вполне способны использовать инструменты, чтобы избежать гибели. Ученые из Британского экологического общества (Лондон, Великобритания) выяснили, что черные огненные муравьи используют песок при сборе жидкой пищи, чтобы не утонуть. Как именно муравьи используют песок, меняется ли их поведение в зависимости от ситуации, и насколько эффективен такой навык выживания? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Муравьи прошли долгий путь эволюции, сделавший их самым развитым семейством насекомых в мире с точки зрения этологии, экологии и физиологии. Именно потому они вместе с термитами занимают примерно треть от общей биомассы планеты.


Документальный фильм о муравьях (BBC, Дэвид Аттенборо).

Говорить об особенностях муравьев можно часами, недаром существует целый раздел энтомологии их изучающий мирмекология. В рассматриваемом нами сегодня исследовании основной акцент был поставлен на качестве, которое присуще далеко не всем крупным млекопитающим с куда более развитой нервной системой, чем у муравьев. Речь, конечно же, об умении использовать инструменты.

На данный момент мы знаем множество примеров подобного поведения среди представителей фауны. Тем более удивительно, что ранее подобное считалось невозможным, а инструменты были прерогативой людей. Лишь в 60-е годы прошлого века были официально зафиксированы примеры использования инструментов среди шимпанзе. С тех пор список животных, использующих инструменты, пополнялся новыми видами, родами и семействами.

Подобное умение напрямую говорит о наличии развитых когнитивных функций, потому считалось, что на это способны исключительно существа с большим мозгом. К числу факторов, влияющих на проявление этой способности, относятся изменения окружающей среды и социальные аспекты.


Красные огненные муравьи справляются с наводнениями весьма своеобразным методом, но даже он не дает стопроцентной гарантии выживания колонии.

По сравнению с позвоночными животными, особенно приматами и птицами, беспозвоночные были крайне поверхностно изучены в рамках умения использовать инструменты. Однако недавние исследования показали, что определенная когнитивная гибкость связана с использованием инструментов, избирательным вниманием и поведением в области социального обучения у насекомых. Это открытие побудило ученых задуматься о том, что все таки насекомые, несмотря на куда менее развитую нервную систему, вполне могут использовать инструменты.

К 2010 году было зафиксировано порядка 50 случаев использования орудий труда у 30 различных родов насекомых. Среди них были и муравьи, а именно подсемейство Myrmicinae (виды: Pogonomyrmex badius, Solenopsis invicta Buren, Novomessor albisetosus и несколько видов из рода Aphaenogaster).

Позднее было установлено, что некоторые виды муравьев (например, Aphaenogaster longiceps) могут выбирать подходящий инструмент для добычи жидкой пищи, демонстрируя определенную гибкость муравьев в аспекте использования орудий труда.

И тут возникает вопрос могут ли муравьи менять инструменты и свое поведение в зависимости от ситуации?

Обычно считается, что различные формы сложного познания могут потенциально привести к различным подходам к производству и использованию инструментов, что может облегчить достижение более эффективных и/или менее затратных стратегий использования инструментов.

Муравьи, собирающие пищу за пределами гнезда, должны эффективно выполнять свою задачу, параллельно выживая в условиях окружающей среды, где опасность заключается не только в хищниках, но и в самой местности. Даже сама пища может быть опасной. К примеру, экстрафлорный нектар (EFN от extrafloral nectar), выделяемый растениями, и медвяная падь (секрет насекомых, питающихся соком растений) являются важнейшим источником углеводов для развития колоний многих видов муравьев. Но из-за своего небольшого размера муравьи могут запутаться и утонуть в жидкости во время добычи пищи.


Главные герои исследования рабочие муравьи вида Solenopsis richteri Forel.

Возникает весьма любопытный вопрос осознают ли муравьи риски, связанные с добычей жидкой пищи, в том числе риск утонуть? Как оказалось, осознают. Ученые установили, что муравьи вида Solenopsis richteri Forel (черные огненные муравьи) могут распознавать увеличение риска утопления и соответственно корректировать свою стратегию использования инструментов.

Подготовка к опытам


Колония муравьев, участвующих в опытах, была собрана в округе Туника (штат Миссисипи, США). В специальных тестовых камерах (55х44х12 см) поддерживались необходимые для нормальной жизнедеятельности условия: температура 26 2 C, влажность 45% и неограниченный доступ к пище и воде (замороженные сверчки, 15% водный раствор сахара и дистиллированная вода).

Одним из аспектов, которые хотели проверить ученые, было поверхностное натяжение жидкости. Чтобы определить связь между риском утопления S. richteri и поверхностным натяжением жидкой пищи, была проведена оценка доли утонувших муравьев и степень сложности их спасения при различных концентрациях поверхностно-активного вещества (ПАВ).

Водный раствор сахара (15% по массе) использовался в качестве источника пищи на протяжении всего исследования. Подопытные муравьи могли спокойно плавать на поверхности раствора чистой воды с сахаром, возможно, из-за гидрофобных углеводородов на их кутикуле и высокого поверхностного натяжения раствора. Следовательно, чистый водный раствор сахара должен был представлять минимальный риск утопления для муравьев. Однако добавление ПАВ (TWEEN 80: 0%, 0.05%, 0.1%, 0.5%, 1% и 2%) снижает степень поверхностного натяжения, тем самым увеличивая риск утопления.

Данный риск был количественно оценен с использованием двух измерений: доля утонувших муравьев и время, необходимое для того, чтобы не утонувшие муравьи смогли спастись.

Во время опыта 1 мл водного раствора сахара с различными концентрациями ПАВ переносили в небольшой пластиковый контейнер (2.5 см в диаметре). Один рабочий муравей помещался в центр контейнера. Если муравей опускался на дно контейнера и не мог сбежать в течение 40 минут, его считали утонувшим. Для тех муравьев, которым удалось уцелеть, фиксировалось время, необходимое для спасения. В ходе данного опыта было использовано по 10 рабочих муравьев из каждой колонии (10 колоний всего).

На поведение муравьев может влиять и само ПАВ, используемое в опытах, а точнее его запах. Для оценки этого был использован ольфактометр с Y-образной трубкой. Две трубки вели к двум разным камерам. В одной присутствовал чистый воздух и жидкость с разной концентрацией ПАВ, в другой воздух с запахом TWEEN 80. В начало Y-трубки было помещено 80 особей, после его в течение 20 минут измерялось число особей, вошедших в ту или иную камеру на 3 см и глубже.

Далее были проведены тесты, связанные с риском утопления и формированием стратегии использования инструментов у подопытных муравьев. В тестовой камере был выбор инструментов: крупицы песка разного размера (крупные > 1.19 мм; средние 0.7071.19 мм и мелкие < 0.707 мм). Во время каждого теста была задействована колония муравьев из одной матки, 3 г муравьев и 0.2 г личинок. Каждую колонию переносили в пластиковый лоток (55х44х12 см) с искусственным гнездом.

В ходе данного опыта было 24 комбинации размера песка (крупный, средний, мелкий и смешанный) и концентрации поверхностно-активного вещества (0%, 0.05%, 0.1%, 0.5%, 1.0%, 2.0%), каждая из которых тестировалась отдельно по 12 заходов.

Через два часа после того, как песчинки были помещены в лоток, три пищевых контейнера (диаметром 2/5 см, каждый из которых содержал 1 мл раствора сахарной воды или сахарной воды с определенной концентрацией ПАВ) были помещены между песчинками и колонией муравьев.

Через пять часов после того, как сахарная вода была помещена в лоток, зерна песка, использованные муравьями внутри и снаружи контейнера для еды, были взвешены. Также было подсчитано число утонувших особей.

Важно отметить, что муравьи данного вида способны строить уникальные конструкции для откачки жидкой пищи сифоны, состоящие из песчаных дорожек и песчаных насыпей. Чтобы подробно охарактеризовать эту конструкцию, весь процесс ее построения был записан для шести новых колоний с 1% ПАВ.

Для оценки эффективности столь необычной постройки муравьям были предоставлены песчинки разного размера (всего 12 г). Муравьи строили свою конструкцию для откачки жидкой пищи, после чего их убирали из тестовой камеры. Конструкцию сушили, а затем контролированно добавляли в нее 1 мл сахарной воды с 1% ПАВ. В ходе данного испытания измерялось время, необходимое для откачивания сахарной воды. Спустя 10 минут насыпь песка вне контейнера с пищей взвешивали и сушили. Разница веса до и после сушки показывала количество водного раствора сахара, содержащегося в структуре песка.

Также был проведен опыт, где муравьи строили песчаные структуры над контейнером с сахарной водой, после чего конструкцию сушили, а в камеру помещали другую колонию. Было два варианта: камера без конструкции и камера с конструкцией. Данный опыт проводился для оценки влияния подобных структур из песка на эффективность добычи пищи и на уровень смертности среди муравьев.

Результаты опытов


Сначала было оценено влияние поверхностного натяжения на степень риска утопления. При увеличении концентрации ПАВ поверхностное натяжение водного раствора сахара значительно снизилось с 77.17 0.24 до 43.28 0.24 мН/м (1A) и, соответственно, доля утонувших муравьев значительно увеличилась ().


Изображение 1

Что касается утонувших муравьев, то время их побега из сахарной воды увеличивалось с увеличением концентрации поверхностно-активного вещества (1C). Следовательно, наблюдалась очевидная отрицательная корреляция между временем, необходимым чтобы выбраться из сиропа, и поверхностным натяжением воды (1D).

Анализ поведенческих изменений на добавление ПАВ TWEEN 80 показал, что S. richteri не проявляют каких-либо явных предпочтений относительно TWEEN 80 (2A опыты без запаха ПАВ; опыты с запахом ПАВ). Следовательно, добавление или удаление этого вещества не влияет на их поведение (с точки зрения реакции на запах вещества).


Изображение 2

Далее была проведена оценка стратегий, которые используют муравьи, при различных уровнях риска во время добычи жидкой пищи.

Концентрация поверхностно-активного вещества, размер песчинок и их взаимодействие показали очевидное влияние на количество использованных песчинок (Таблица 1).


Таблица 1

Для сравнения, муравьи использовали значительно меньшее количество мелких песчинок внутри и снаружи пищевых контейнеров по сравнению с песчинками других размеров (3A и ), а в использовании крупнозернистых, средних и смешанных песчинок не было значительной разницы.

Что касается эффекта концентрации поверхностно-активного вещества, то добавление 0.05% ПАВ к сахарной воде привело к использованию большего количества песчинок в пищевых контейнерах по сравнению с контрольной группой и другими вариантами концентрации ПАВ (3D).


Изображение 3

Анализ данных со всех пищевых контейнеров с разными размерами песчинок показал, что число песчинок, использованных за пределами контейнера, практически не меняется в зависимости от концентрации ПАВ выше 0.05% (3E).

Любопытно, что при использовании песчинок разного размера и ПАВ 0.05% муравьи использовали больше песка именно внутри пищевого контейнера. Но комбинация песчинок любого размера с ПАВ больше 0.05% приводит к тому, что муравьи раскладывают песок вне контейнера.

Размер песчинок и концентрация ПАВ оказали значительное влияние на смертность муравьев (таблица 2).


Таблица 2

Число утонувших муравьев было меньше, когда были задействованы более крупные песчинки ().

При этом доля утонувших увеличивалась по мере увеличения концентрации ПАВ (3F). Самая численная смертность наблюдалась в случаях, когда концентрация ПАВ была выше 0.1% вне зависимости от размера песчинок.

Вполне логично, что муравьи предпочитали использовать более крупные песчинки, когда риск утопления увеличивался. Чем выше была концентрация ПАВ, тем больше крупных песчинок использовалось, особенно внутри контейнера с пищей.


Изображение 4

Когда концентрация ПАВ была выше 0.05%, муравьи начинали строить уникальные песчаные сооружения, чтобы соединить песчинки, размещенные внутри и снаружи контейнера (4A-4E).

Любопытно, что при концентрации ПАВ ровно 0.05%, муравьи размещали большую часть песчинок на внутренней стенке контейнера. Подобные конструкции наблюдались только при использовании поверхностно-активного вещества в сахарной воде.

Факт того, что муравьи строят разные песчаные конструкции при разных концентрациях ПАВ, подтверждает гибкость муравьев вида S. richteri в выборе стратегии использования инструментов.

А теперь стоит детальнее рассмотреть эти уникальные песчаные сооружения. Для изучения песчаных сифонов были сделаны записи строительства 13 таких структур.

На начальном этапе строительства муравьи просто питались сахарной водой внутри, когда ее только добавили в контейнер. Спустя 4-10 минут несколько особей утонули в сахарной воде, а другие начинали собирать и складывать песчинки внутри и снаружи контейнера.

Через 1.5 часа за пределами контейнера с пищей было больше песчинок, чем внутри (4A, 4B, 4E, видео ниже).




Муравьи приклеивали песчинки к стенке контейнера (снаружи и внутри), чтобы создать песчаную дорожку, соединяющую жидкость внутри и кучу песка снаружи.

Благодаря такой конструкции жидкая пища перемещалась из контейнера по песчаной дорожке, обеспечивая более безопасный сбор пищи (4A-4D).

Чаще всего к одному контейнеру подходила одна песчаная дорожка, а внешние песчаные насыпи располагались достаточно близко. Но в редких случаях дорожка была 11 см в длину (4E). Также была распространена практика строительства нескольких песчаных дорожек к одной насыпи. В строительстве данной конструкции муравьи использовали песчинки всех имеющихся размеров.

В среднем почти половина сахарной воды (49.67%) была перенесена в насыпь песка в течение пять минут (4F, видео ниже).




При наличии песчаных сифонов на 30 минуте наблюдений 89.87% из всех муравьев находились за пределами контейнера, а на 60 минуте 87.85% (4E, 4G, 4H).

Вполне ожидаемо, что наличие песчаных конструкций сильно повлияло на уровень смертности муравьев (таблица 3).


Таблица 3

При наличии песчаного сифона муравьев, питающихся внутри контейнера, было значительно меньше (5A и 5B). Данный показатель практически не менялся по отношению к концентрации ПАВ (5E и 5F).

Наличие сифона повысило эффективность сбора пищи на 8% (5C): без сифона 10.69 мг и с сифоном 11.54 мг. Этот показатель немного снижался при увеличении концентрации ПАВ (5G).

При наличии сифонной структуры наблюдалась меньшая доля утонувших муравьев, которая увеличивалась пропорционально увеличению концентрации поверхностно-активного вещества (5H).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы (ссылка для скачивания файла .docx) к нему.

Эпилог


Данные наблюдения показали, что муравьи, несмотря на отсутствие развитого мозга, способны не только использовать инструменты, но менять стратегию в ответ на изменения обстоятельств.

Риски, связанные с добычей пищи, влияют на поведение муравьев. Если риск велик, то муравьи стараются не лезть на рожон и начинают строить специальные конструкции из песка, которые переносят жидкую пищу в более безопасное место. За счет этого они могут спокойно собирать пищу, не боясь утонуть в ней.

Описанные в данном труде наблюдения не просто забавны или любопытны, они показывают, что социальные насекомые способны создавать новые стратегии поиска и добычи пищи в зависимости от внешних факторов, а также использовать подручные предметы для создания инструментов добычи.

Кроме того, данный труд показывает, что у муравьев развитые способности в аспекте познания, что ранее приписывалось исключительно позвоночным.

Авторы исследования предполагают, что их труд позволит в будущем куда более детально изучить когнитивные механизмы и стратегии использования инструментов у социальных насекомых. Уникальна ли стратегия для каждого семейства/рода/вида или, возможно, есть некая универсальная стратегия, которой придерживаются все насекомые? Именно на этот вопрос ученые намерены найти ответ в будущих исследованиях.

Пятничный офф-топ:

Юмористическое, но правдивое видео о мутуализме среди муравьев.

Офф-топ 2.0:

Как бы сказал Эрмак из Mortal Kombat: We are many, you are but one

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Запах сыра ароматическое взаимодействие бактерий и грибков

23.10.2020 10:09:29 | Автор: admin


Многие из нас любят сыры, коих существует множество видов. Некоторые из них достаточно нежные на вкус и практически не пахнут, другие же способны заполнить своим ароматом все помещение. Какой бы ни был сыр, он имеет свойство портиться, как и любой другой продукт питания. Во время этого на его поверхности активно размножаются бактерии и грибковые образования. Первым признаком того, что такой сыр лучше не есть, является странный запах. Ученые из университета Тафтса (Медфорд, США) выяснили, что этот запах служит своеобразным методом коммуникации между бактериями и грибками. Как именно происходит ароматическая болтовня микроорганизмов в сыре, как это влияет на созревание сыра, и как данное исследование может помочь пищевой промышленности и не только? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Я, признаться честно, люблю сыр. Не так, как Рокфор из мультфильма Чип и Дейл спешат на помощь, но все же. Один из моих любимых сыров вызывает у некоторых моих знакомых непроизвольное искривление лицевых мышц в недовольную гримасу, слова фу, какая гадость и, конечно же, сопутствующий вопрос как ты можешь это есть?. Думаю, многие уже догадались, что речь идет про сыр с плесенью. Но это не простая плесень, а благородная, что, правда, не отменяет того факта, что вид и запах у этого продукта крайне специфический.

Забавно и то, что некоторые считают, что сыр с плесенью не может испортиться. Это не так, естественно. Когда любой пищевой продукт начинает портиться, то на его поверхности и внутри него образуются нежелательные микроорганизмы в виде плесневых грибков и различных бактерий. От чего поверхность продукта и приобретает вид мохнатого цветного ковра.


Ролик о том, как производится голубой сыр.

В ходе жизненного цикла многие бактерии и грибки способны производить большое количество летучих органических соединений (ЛОС) в виде побочных продуктов своего вторичного метаболизма. Эти низкомолекулярные углеродсодержащие соединения переносятся по воздуху при температуре и давлении окружающей среды, что делает их идеальными химическими посредниками во взаимодействиях между микробами на больших расстояниях.

Летучие органические соединения бактерий и грибков являются объектами многих исследований, основной акцент которых ставится на то, как ЛОС одного микроорганизма влияют на биологию своей монокультуры. Однако никто еще не изучал как ЛОС организма из одной группы влияют на поведение организмов другой группы. Другими словами, никто пока не рассматривал летучие соединения в аспекте межвидовой коммуникации.

На данный момент известно, что ЛОС могут изменять профили устойчивости бактерий к антибиотикам, действовать как антибиотические соединения, способствовать групповому поведению и вызывать изменения в экспрессии генов ближайшего от источника микроба.

Существует также и предположение, что ЛОС могут влиять на рост слабых конкурентов или подавлять рост доминирующих видов, позволяя субдоминантам процветать. Но фактических примеров такого поведения пока не было обнаружено.

Профили ЛОС поверхностных микробов, растущих на сырных субстратах, подвергались детальному изучению для выявления потенциальной пользы с точки зрения производства данного продукта. Эти исследования показали, что грибы, обычно используемые в качестве заквасок (Debaryomyces hansenii, Galactomyces geotrichum и Penicillium spp.) играют ключевую роль в формировании вкусового профиля сыров. Грибы в заквасочной культуре могут продуцировать различные ЛОС в высоких концентрациях. Исследования также показали, что широко распространенные грибки из сырной корки оказывают сильное влияние на рост соседствующих бактерий. Однако, как заявляют ученые, механизмы, лежащие в основе этих взаимодействий, были плохо изучены.

В рассматриваемом нами сегодня исследовании ученым удалось выяснить влияние грибковых ЛОС на рост микробов, охарактеризовать изменения в микробиоме в присутствии грибковых ЛОС и определить предполагаемые генетические механизмы, ответственные за ЛОС-опосредованные реакции у этих организмов.

Результаты исследования


Чтобы проверить, может ли продукция ЛОС вызвать рост у соседствующего микроба, было проверено влияние ЛОС пяти наиболее распространенных грибов сырной корки (Galactomyces geotrichum, Debaryomyces hansenii, Penicillium sp., Scopulariopsis sp., Fusarium domesticum) на грибы-продуценты и на филогенетически разнообразные бактерии, которые способны взаимодействовать с грибками (что известно из предыдущих исследований).


Изображение 1

Штаммы респондентов инокулировали в лунки 96-луночного планшета для культивирования клеток, содержащего сырно-творожный агар (CCA от cheese curd agar), и подвергали воздействию одного из пяти грибов-продуцентов, растущих в лунках противоположного планшета (1A). Такая установка позволяла оценивать влияние грибов на бактерии без непосредственного контакта между ними, т.е. исключительно посредством ЛОС.

В ходе наблюдений было обнаружено, что дрожжи и мицелиальные грибы не реагируют на ЛОС грибов-продуцентов в отличие от бактерий, степень реакции которых была крайне сильной и вариативной (1B). ЛОС всех пяти грибов вызывали различные реакции роста у группы тестируемых бактерий: сильная стимуляция, отсутствие эффекта и сильное ингибирование (замедление).

Одни из штаммов грибов-продуцентов (а именно Galactomyces geotrichum 242A) повлиял на наибольшее число бактерий, двое из которых (JB7 Brachybacterium alimentarium и BP626_1 Pseudoalteromonas sp.) отреагировали значительным замедлением роста. Также наблюдалось и сильное стимулирование роста двух других бактерий Psychrobacter sp. JB193 и Vibrio casei JB196. Штамм Staphylococcus equorum BC9 никак не отреагировал на ЛОС грибов-продуцентов. Из всех проверенных штаммов микробов Proteobacteria демонстрировала самые сильные реакции роста при воздействии со всеми пятью ЛОС грибов (1B).

ЛОС грибов также имело влияние и на сами грибы-продуценты. Так, грибы Vibrio продемонстрировали активный и стабильный рост: популяции выросли в 21.8 раза всего за 6 часов воздействия ЛОС из Galactomyces ().

Чтобы подтвердить, что эти взаимодействия устойчивы среди видов и штаммов Vibrio, была проведена количественная оценка способности близкородственных видов Vibrio, выделенных из других сыров (V. litoralis) и морской среды (V. fischeri), активнее расти при воздействии ЛОС грибов. В ходе этих наблюдений общее увеличение роста по всем видам / штаммам (1D) составило от 120 до 700% в зависимости от штамма реципиента.

Далее необходимо было определить, зависит ли стимуляция роста Vibrio от штамма гриба-продуцента. Штамм Vibrio casei JB196 подвергался воздействию штаммов Debaryomyces hansenii, различных видов Penicillium и штаммов Galactomyces geotrichum, выделенных из различных сырных корок. Эти грибы обычно встречаются вместе с Vibrio и имеют хорошо изученные профили ЛОС, тогда как ЛОС Scopulariopsis и Fusarium никогда не измерялись на сыре. Все штаммы разных грибов вызывали рост Vibrio, отличие было лишь в степени роста и его активности (). Это говорит о том, что широкий спектр грибов может вызывать рост, опосредованный ЛОС, независимо от генетического фона.

Ученые предполагают, что ЛОС обладают синергическим или аддитивным действием по отношению к другим нелетучим соединениям грибов.

Например, антибиотики ванкомицин и различные -лактамы проявляют повышенную антибактериальную активность в отношении некоторых грамотрицательных бактерий, когда их сначала обрабатывают ЛОС (а именно, эвгенолом C10H12O2).

Проверить верность вышеуказанной гипотезы ученые решили посредством экспериментов, в которых проверялись прямые эффекты секреции от грибкового партнера и отдаленные ЛОС-опосредованные эффекты одного и того же грибкового партнера.

Любопытно, что во время роста разных штаммов грибов и Vibrio в одной лунке, не наблюдалось какого-либо заметного влияния. Отсутствие положительного эффекта роста при выращивании Vibrio в прямом контакте с грибами (при отсутствии дополнительных летучих органических соединений) может быть связано с сильной конкуренцией с грибковым партнером за ресурсы.

Если же грибки и бактерии Vibrio, расположенные в одной лунке, подвергались внешнему воздействию летучих органических соединений, наблюдался активный рост последних.

Это указывает на то, что прямые взаимодействия между грибами и бактериями были незначительными, а стимуляция роста Vibrio связана с летучими соединениями, а не нелетучими, секретируемыми в сырную среду.

Также было установлено, что ЛОС грибов изменяют состав бактериального сообщества, способствуя развитию вибрионов (бактерий Vibrio).

Было высказано предположение, что сильные парные реакции роста Vibrio при воздействии грибковых ЛОС будут иметь последствия для сборки многовидового бактериального сообщества, в пользу сообщества, в котором преобладают Proteobacteri. Чтобы проверить, могут ли летучие органические соединения грибов влиять на разнообразие микробиома сырной корки, способствуя росту протеобактерий, была проведена характеризация изменений в структурах синтетического бактериального сообщества в модели сырной корки. Если точнее, то проводились измерения относительной численности членов сообщества, подвергшихся воздействию Debaryomyces, Penicillium и Galactomyces.

Три основных вида бактерий (Staphylococcus equorum, Brevibacterium aurantiacum и Brachybacterium alimentarium) и один вид Proteobacteria (Vibrio) были засеяны на сырно-творожный агар в равных концентрациях и подвергнуты воздействию грибковых ЛОС с использованием того же сэндвич-подхода, что был описан выше ().


Изображение 2

Это экспериментальное сообщество представляет собой типичный состав поверхностного микробиома, который можно найти на поверхности сыра.

Сравнение контрольной группы (без ЛОС) и экспериментальных групп Debaryomyces, Penicillium и Galactomyces показало наличие существенного сдвига в структуре сообществ, когда сообщества, содержащие Vibrio, подвергаются воздействию грибковых ЛОС (2B).

Как и предполагалось, воздействие грибковых ЛОС изменило состав бактериальных сообществ по сравнению с контрольной группой (2C), причем воздействие Galactomyces привело к самому высокому относительному содержанию Vibrio во всех вариантах обработки (без ЛОС: 9.7 4.1%; Galactomyces: 94.3 5.1%; Debaryomyces: 81.6 11%; Penicillium: 82.8 10.3%; 2D).

Микробное сообщество с преобладающей популяцией вибринов сохраняло стабильное состояние даже спустя неделю после инкубации. Это говорит о том, что подобные изменения состава сообщества не являются временными.

На следующем этапе исследования была проведена оценка экспрессии генов бактерий-реципиентов.

Чтобы лучше понять молекулярные механизмы, лежащие в основе опосредованного ЛОС стимулирования роста бактерий, был проведен анализ последовательности РНК на популяциях Vibrio, подвергшихся в течение 3 дней воздействию грибковых продуцентов ЛОС.


Изображение 3

Воздействие грибковых ЛОС вызвало сдвиг в глобальной экспрессии генов Vibrio с разницей между контрольной и опытной группами в 159 экспрессируемых генов (3A). Воздействие мицелиального гриба Penicillium привело к наибольшей перестройке глобального транскриптома Vibrio (). Из них 54 гена имели более высокий уровень экспрессии, а 87 генов имели более низкий уровень экспрессии в присутствии ЛОС.

Наиболее сильным паттерном дифференциально экспрессируемых генов при всех воздействиях грибковых ЛОС является повышенная экспрессия генов, участвующих в глиоксилатном шунте (3C и 3D). Этот шунт кодирует продукцию малатсинтазы G (aceB) и изоцитратлиазы (aceA). Это изменение в цикле трикарбоновых кислот позволяет клеткам использовать простые углеродные соединения (ацетат и другие жирные кислоты) в качестве источников углерода, когда более сложные источники (например, глюкоза) недоступны.

Анализ показал, что именно гены, кодирующие изоцитратлиазу и малатсинтазу G, были наиболее дифференциально экспрессируемыми генами в случае воздействия ЛОС (4-кратное и 11-кратное изменение соответственно).

Кроме того, ацетил-КоА-синтаза (acs), играющая важную роль в ацетатном переключении / активации шунта, увеличилась в среднем в 4 раза при воздействии (максимальное увеличение в 7.8 раза было при воздействии Penicillium; 3E).

Другие дифференциально экспрессируемые гены, которые активируются при воздействии ЛОС, включают гены, связанные с метаболизмом углеводов и дыханием (9 генов), метаболизмом азота (5 генов) и мембранным транспортом (4 гена), а также гены, участвующие в метаболизме витаминов (3 гена). Это указывает на то, что воздействие грибковых летучих органических соединений изменяет поступление питательных веществ и витаминов, доступных для Vibrio.

Однако были и гены, которые подавлялись ввиду воздействия ЛОС грибков. К ним относятся шесть генов, участвующих в плазмидах IncF, которые могут автономно реплицироваться и выполнять самые разные функции (устойчивость к антибиотикам, образование биопленок у Pseudomonas sp. и E. coli и т.д.).

Гены, участвующие в сборе железа (5 генов), метаболизме аминокислот и белков (5 генов), наряду с генами метаболизма калия и фосфора (3 гена), также были значительно подавлены (3B).

Суммарно эти результаты однозначно подтверждают, что ЛОС грибов имеет сильное влияние на метаболические гены бактерий.

Как мы уже поняли, ЛОС грибов сильно влияют на рост бактерий Vibrio. Однако остается загадкой, какие механизмы протекают в этом случае и какие должны быть концентрации участвующих соединений.

Ученые предположили, что ЛОС можно использовать в качестве субстратов, которые попадают в глиоксилатный шунт на уровне ацетил-КоА в качестве единственного источника углерода. Такие субстраты могут включать жирные кислоты, спирты и сложные эфиры (часто продукты метаболизма грибов), а также углеводороды и метилированные соединения.

Чтобы определить, могут ли определенные ЛОС, продуцируемые грибами из сырной корки, опосредовать взаимодействия, наблюдаемые выше, сначала было проверено влияние коммерчески доступной уксусной кислоты на рост Vibrio.

Уксусная кислота представляет собой низкомолекулярную короткоцепочечную жирную кислоту, способную диффундировать через клеточную мембрану Vibrio с образованием ацетил-КоА. Сложные эфиры и жирные кислоты, такие как уксусная кислота, широко обнаруживаются в сырах со зрелой поверхностью и часто вырабатываются в высоких концентрациях дрожжами и нитчатыми грибами. В то время как другие соединения могут использоваться в глиоксилатном шунте, уксусная кислота может напрямую активировать глиоксилатный шунт, поэтому она и была выбрана для исследования.

Биоактивность уксусной кислоты проверяли, используя вариант сэндвич-анализа ЛОС, используемого ранее. Определенная концентрация уксусной кислоты была добавлена на фильтр-бумагу в лунке, противоположную Vibrio, а не грибам-продуцентам (4A).

Клетки подвергали действию одного соединения в пяти различных концентрациях в диапазоне от 0.1 до 1000 частей на миллион, что находится в пределах диапазона ранее описанных концентраций для различных грибов.

Результаты показали, что воздействие уксусной кислоты увеличивало рост Vibrio (4B).


Изображение 4

Это соединение вызывало реакцию роста на уровне, аналогичном общему росту, индуцированному смесью ЛОС грибов. Также важную роль играла и концентрация. При 0.1-100 частей на миллион уксусная кислота влияла на рост Vibrio, но при концентрации свыше 1000 такого эффекта практически не было.

Ученые отмечают, что выработка кислоты может влиять на уровень pH и токсичность, которые могут тем или иным образом влиять на рост бактерий. Для проверки этой теории были проведены измерения рН среды, где росли бактерии из контрольной группы, и среды, где бактерии подвергались воздействию ЛОС грибов. Однако анализ данных показал, что реакция роста бактерий никак не связана с уровнем рН.

Уксусная кислота также имела значительное влияние на состав микробного сообщества. Тогда как в контрольной группе было примерно 19% вибрионов, в группе, подвергшейся воздействию кислоты, этот показатель вырос практически до 100% (). Это говорит о том, что уксусная кислота и другие ЛОС влияют на рост разных бактерий в рамках одного микробиома по-разному. В данном случае рост и увеличение численности Vibrio и снижение численности других бактерий.

Следовательно, уксусная кислота это ЛОС, которое может индуцировать шунт глиоксилата и стимулировать рост вибрионов. Однако необходимо установить, производят ли грибы это соединение.

Чтобы выяснить это, ученые проанализировали ЛОС, производимый штаммом Galactomyces geotrichum 242A, штаммом Debaryomyces hansenii 135B и Penicillium sp. штамм 12.

Анализ показал, что вырабатываемой уксусной кислоты крайне мало, ее уровень практически сопоставим с фоновым. Однако вырабатывалось достаточно много других эфиров, содержащих ацетат: масляная кислота, амилацетат, гептилацетат и 3Z-гексенилацетат.

Далее было проверено, может ли какой-то из этих соединений влиять на рост бактерий и их популяцию (4A). Через 3 дня популяции Vibrio, подвергшиеся воздействию гептилацетата и метилизобутриата в концентрациях 0.1 частей на миллион, увеличились в 81.5 и 163 раза соответственно (4B).

Эти эксперименты демонстрируют, что ацетатсодержащие соединения, продуцируемые грибами сырной корки, могут вызывать реакцию роста у Vibrio и могут изменять состав бактериального сообщества сырной корки.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


Созревание сыра и формирование его вкуса напрямую связано с микробиомом, обитающим на его поверхностях. В данном труде ученые установили, что некоторые грибы влияют на рост бактерий. Учитывая, что последние отвечают за вкусовые и ароматические характеристики сыра, этот процесс нельзя назвать малозначимым.

По мнению ученых, их труд позволяет лучше понимать механизмы взаимодействия между микроскопическими организмами не только внутри одной видовой группы, но и между разными группами. Кроме того, полученные знания могут пригодиться производителям сыров, ведь меняя концентрацию того или иного летучего органического соединения, они смогут производить совершенно уникальные с точки зрения гастрономии сыры.

В том, что наука влияет на пищевую промышленность, нет ничего удивительного, ибо это происходит уже не первую сотню лет. Однако подобные исследования все же удивляют своей креативностью, уж простите за такой термин. Но, какой бы смешной на первый взгляд ни была тема исследования, его суть имеет гораздо больше глубины. Чем лучше мы понимаем процессы, протекающие в микробиоме, тем больше у нас будет возможностей на них влиять. Бактерии и грибы, как мы знаем, часто мелькают в исследованиях медицинского характера, в трудах по переработке пластика, им даже нашлось место в космонавтике и астрономии. Посему, вполне логично, что понимание мира бактерий и грибков влияет на развитие нашего.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Грязный буй динамика компонентов пластиковых отходов в океанической среде

18.12.2020 12:07:33 | Автор: admin


Все мы прекрасно знаем, что загрязнение окружающей среды до добра не доведет. Особенно, если речь идет о загрязнении океанов и морей. Постеры, мотивирующие сортировать отходы и беречь океаны, часто демонстрируют кадры с запутавшимися в пластиковых пакетах рыбами, черепахами и дельфинами. Другими словами, мы видим физическое влияние мусора на жителей океана. Но не стоит забывать и о том, что пластиковый мусор содержит множество различных химических компонентов, влияние которых может оказаться куда разрушительнее. Ученые из Инчхонского университета (Южная Корея) изучили компоненты и добавки, присутствующие в пластиковых отходах, чтобы выяснить, как они могут влиять на окружающую среду. Какие компоненты опаснее, каково их влияние на окружающую среду, как меняется ситуация с течением времени, и какие выводы можно сделать из полученных данных? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


В былые времена самым распространенным материалом для производства чего-либо была древесина: дома, мебель, посуда и даже оружие из дерева. С течением времени технологии и наука развивались, и на первый план вышел пластик. Этот материал легок, долговечен и устойчив к различным физическим и химическим воздействиям. Не удивительно, что по данным за 2018 год производство пластика достигло невероятных 359 миллионов тонн.

Вполне ожидаемо, что при таком объеме производства всегда присутствует такой же колоссальный объем отходов. И тут преимущества пластика становятся недостатками: он долго разлагается и легко распространяется как по воде, так и по воздуху (легкие пластиковые пакеты ветер может унести на десятки километров). Самый очевидный вред, который пластик может оказывать на флору и фауну, это физический: животное может запутаться в мусоре или проглотить его, что может привести к его гибели.

Однако есть и химическая сторона вопроса. В процессе разложения (даже столь медленного) выделяется множество химических соединений, которые оказывают пагубное влияние и на среду, и на ее обитателей. Кроме того, было установлено, что гидрофобные органические загрязнители концентрируются в пластмассах на несколько порядков больше, чем в окружающей морской (океанической) воде.

Во время производства пластиковых предметов используется множество добавок, необходимых для улучшения качества выходного продукта: красители, наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, антипирены, антиоксиданты и т.д. К примеру, эфиры фталевой кислоты присутствуют в более чем 50% пластиковых продуктов. Естественно, эти добавки никуда не деваются, когда пластик оказывается в океане.

Полистирол (ПС), на который приходится 6.4% мирового производства пластмасс, широко используется в производстве упаковки, в строительстве, в сельском хозяйстве и даже в машиностроении и электронной промышленности. Мировое производство полистирола в 2010 году составило примерно 14.9 миллиона тонн, и прогнозировалось, что к 2020 году он будет расти со скоростью 5.6% в год. Азия является ведущим регионом в мире по производству полистирола около 55.1% от мирового.

Полистирол бывает разный: вспененный полистирол (EPS), экструдированный пенополистирол (XPS) и твердый полистирол. В год в мире производится около 8.87 миллионов тонн EPS (по данным на 2012 год), из которых 66.6% приходится на Азию. К примеру, в Южной Корее, где базируются авторы исследования, в год производится порядка 2 миллионов буев, но лишь 28% из них извлекается из акватории после использования. Следовательно, буи из EPS (в том числе и обломки микро-, мезо- и макро-размеров) являются лидерами среди мусора, загрязняющего побережья Южной Кореи.

Помимо очевидных причин, полистирол опасен для окружающей среды еще и тем, что содержит весьма сильные загрязнители: гексабромциклододеканы (ГБЦД), полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и т.д. В частности, олигомеры стирола (ОС) являются не просто непреднамеренными добавками в ПС, образующимися в результате побочных реакций во время полимеризации, но также побочными продуктами разложения полистирола.

Принимая во внимание, что химический состав ПС отличается от продукта к продукту, его отдельные добавки демонстрируют разную скорость выщелачивания* и испытывают разную динамику при взаимодействии с окружающей средой (сорбция/десорбция, испарение и разложение).
Выщелачивание* преобразование компонентов твердого материала в раствор.
Следовательно, состав ПС в разных средах будет показывать разные профили разложения, что затрудняет идентификацию и оценку этого процесса и его влияния на среду. Ученые опять приводят в пример буи из EPS. Считается, что они являются основным источником ОС в морской среде, однако концентрации ОС на побережьях и в донных отложениях сильно отличаются. Потому остается неясно, может ли такое несоответствие быть связано с различиями в источниках ОС, различиями в их взаимодействии со средой или какой-либо другой причиной.

Чтобы определить влияние источника ОС и его динамики с окружающей средой на его распространение, в настоящем исследовании ученые провели лабораторные эксперименты по определению характеристик ОС в частицах буя из EPS и его фильтратов.

Результаты исследования



Изображение 1: карта, на которой указаны участки забора образцов для анализа.

Концентрации () ОС в пробах донных отложений, содранных для данного исследования, варьировались от 1.4 до 1460 нг/г (нанограмм/грамм) со средним значением: 671 483 во внутренних ручьях (сектор-1); 216 91 в ручье солончаковых болот (сектор-2); 97.1 144 в озере (сектор-3); 57.4 89.3 в прибрежной зоне за пределами озера (сектор-4).


Изображение 2

Самые высокие концентрации ОС () наблюдались во внутренних ручьях промышленных комплексов (участки C3C7), в среднем в девять раз превышая концентрации в озере (сектор-1). Два ручья (участки C1 и C2 сектора-1), идущие через городские районы (с численностью населения 656 811 человек в Ансане и 465 515 человек в Шихыне), и ручей солончаков (участки S1S9 сектора-2), идущий через сельскохозяйственные районы, также показали в два-три раза более высокие уровни ОС, чем их водохранилище, озеро и прибрежный район, соответственно (). Несмотря на то, что самый высокий уровень концентрации ОС был обнаружен в ручьях, идущих через промышленные районы, на озерных участках в непосредственной близости к их водостокам не было столь высокой концентрации ОС.

Между тем, наиболее распространенные ОС в озере наблюдались на дальних внутренних участках (L1 и L2), куда поступают сбрасываемые воды ручьев (участки C1 и C2), текущих через полигон, сельскохозяйственные угодья и городской район. Из этого следует, что именно городские и сельскохозяйственные (а не промышленные) районы являются основными источниками ОС загрязнения озера.

На пляже, где были собраны пробы отложений приливно-отливной зоны (участок O10), присутствовало большое количество отходов EPS буев, в том числе и микрочастиц. Предполагалось, что этот мусор будет основным источником ОС загрязнения региона. Однако на удаленных от берега участках (O7 O10) были обнаружены относительно низкие уровни ОС (1.403.76 нг/г), включая самые низкие уровни ОС на участке O10.

Органический углерод в отложениях можно рассматривать как фактор, влияющий на концентрацию гидрофобных соединений, таких как ОС. Однако содержания углерода в отложениях в этом районе не различались настолько сильно, чтобы повлиять на пространственное распределение ОС. Среднее содержание углерода в пробах составляло: 1.2 0.6 % во внутренних ручьях; 1.1 0.3 % в солончаковых ручьях; 0.9 0.2 % в озере; 0.6 0.3 % в прибрежной зоне.

Следовательно, концентрации ОС, нормализованные по содержанию углерода, шли в следующем порядке от наибольшего к наименьшему: внутренние ручьи (58.2 44.9 мкг/г); солончаковые ручьи (19.7 4.8 мкг/г); озеро (10.2 14.9 мкг/г); и прибрежный район (8.5 11.1 мкг/г).

В отличие от распределения ОС, распределение углерода было относительно равномерным по всем участкам в каждом секторе, за исключением участков O7 O10. В результате не было обнаружено существенной разницы в пространственном распределении ОС между участками (2a) по отношению к углероду. Следовательно, на распределение и на уровень концентрации ОС в исследуемом регионе углерод не имеет никакого влияния.

Далее была произведена оценка распределения ОС по участкам в регионе забора образцов. Уровни ОС распределяются относительно равномерно между отдельными участками, будучи в пределах 8 для внутренних ручьев и 3 для солончаковых ручьев. Однако гораздо большие различия в 50 и 70 раз были обнаружены между участками озера и прибрежной зоны соответственно.

Самые высокие концентрации ОС как в озере, так и в прибрежных районах были обнаружены в дальнем внутреннем озере (участки L1 и L2) и в устье ручья (участки O1 и O2), соответственно. При этом концентрации ОС резко уменьшались с увеличением расстояния от этих участков (2а).

Тенденция к уменьшению SO с расстоянием в озере и прибрежной зоне хорошо объяснена уравнением распада первого порядка (т.е. ln(CX/C0) = kd), где CX и C0 нормализованные по углероду концентрации ОС на участке Х на изначальном участке, т.е. на дальних внутренних участках озера (L1) и в прибрежной зоне O1, k константа распада (в данном случае константа разбавления) и d расстояние от L1 или O1 до участка X.


Изображение 3

Анализ показал значительные корреляции между скоростью уменьшения ОС, SD, ST (ОС олигомеры стирола; SD 2,4-дифенил-1-бутен; CT 2,4,6-трифенилгексен) и расстоянием (d; км). К примеру, показатель разбавления (k) для ОС составил 0.305 для участков L1L10 в озере и -0.206 для участков O1O9 в прибрежной зоне. Расстояние, на котором ОС упало вдвое по сравнению с исходным участком (далее d1/2), составило 2.3 км для озера и 3.4 км для прибрежной зоны. Это указывает на то, что сильное разбавление ОС произошло в водных резервуарах ниже по течению после их попадания через ручьи, расположенные выше по течению.

При этом отрицательная корреляция (-k) была значительно ярче выражена для более легких олигомеров стирола как из озера, так и из прибрежного региона: -0.328 для SD по сравнению с -0.201 для ST в озере; и 0.212 для SD по сравнению с 0.133 для ST в прибрежной зоне (графики выше). Соответствующие значения d1/2 для SD составили 2.1 км в озере и 3.3 км в прибрежной зоне, а для ST 3.4 км в озере и 5.2 км в прибрежной зоне.

Следовательно, можно сделать вывод, что более легкие конгенеры* (SD) могли растворяться намного быстрее, чем более тяжелые (ST).
Конгенер* вещество, которая является результатом какой-либо химической реакции (в данном случае это реакция распада пластикового мусора).
Далее была проведена оценка изменений концентрации компонентов пластикового мусора в донных отложениях (2b) в зависимости от расстояния.

На большинстве участков в олигомерах стирола преобладали SD, на долю которых приходилось 89 10% ОС, за исключением участка O10, где ST были наиболее распространенными (59% ОС). Доля SD была относительно выше в наземных источниках (89 8.8% OС во внутренних ручьях и 94 3.8% OС в солончаковых ручьях) по сравнению с соответствующими им резервуарами ниже по течению (80 13% OС в озере и 87 17% OС в прибрежной зоне). SD-2 (2,4-дифенил-1-бутен) был наиболее распространенным конгенером для большинства участков (за исключением участка O10), составляя 85 14% ОС и 95% 7.3% SD. На участке О10 преобладал ST-1 (2,4,6-трифенил-гексен): 40% OС и 68% ST.

Любопытно, что профиль состава ОС были относительно равномерны по всем наземным участкам, однако с увеличением расстояния сильно менялись на разных участках. Доли SD снизились с 92% на внутреннем участке L1 до 69%85% на внешних L9 и L10 и с 97% на участке O1 до 8086% на O8 и O9. Это обратно пропорционально долям ST, которые постепенно увеличивались с 8.0% до 1531% и с 2.8% до 1420%, соответственно. Следовательно, отношение ST к SD-2 показало тенденцию к увеличению от внутреннего к внешнему участку озера и прибрежной зоны (2c).

Чтобы охарактеризовать происхождение олигомеров стирола в регионе исследования, были измерены уровни и профили состава ОС в EPS и его продуктах выщелачивания (изображение 4).


Изображение 4

Содержание ОС в частицах буя EPS, который еще не начал распадаться, составляло 1.45 0.19 мг/г. ST составляли примерно 60.2 3,4% от всего ОС с преобладающим ST-1 (40.6 3.6%), затем следовали SD-2 (32.6 2.6%) и ST-3 (9.9 0.6%).

После пятидневного периода выщелачивания общая масса ОС в выщелоченных частицах EPS и фильтратах составила 14.950.76 мкг. Лишь 0.031 0.004% от общего количества извлеченных ОС присутствовало в фильтратах выщелачивания с диапазоном 7.5610.1 нг/л для ОС, а оставшаяся масса была обнаружена именно в выщелоченных частицах EPS.

Наиболее распространенным конгенером в фильтрате был SD-2 (70.9 13.0%), за ним следовали SD-1 (12.6 7.6%), ST-1 (5.1 1.4%), SD-3 (3.9 4.3%), SD-4 (2.6 2.4%) и другие. Таким образом, SD составляют 90.1 2.6% выщелоченных ОС. Следовательно, процесс выщелачивания обломков EPS высвобождает SD гораздо быстрее, чем ST.

Следующий этап исследования был нацелен на анализ главных компонентов (PCA от principal component analysis) для определения происхождения ОС.


Изображение 5

На изображении выше представлены результаты PCA для разных профилей ОС в образцах. Два основных компонента объясняют 96% общей дисперсии, большая часть которой приходится на PC1 (компонент 1; 88.4%).

График оценки PCA разделяет образцы на три кластера: группа-1 включала фильтрат EPS, отложения на внутренних и солончаковых ручьях и отложения на внутренних участках озера и в прибрежной зоне; группа-2 включала отложения на внешних участках озера и в прибрежной зоне; группа-3 включала свежие и выщелоченные частицы EPS и отложения участка O10.

Совокупность результатов PCA анализа показала, что группа-1 и группа-2, вероятно, были связаны друг с другом, показывая изменение состава ОС, вызванное разбавлением от внутренних участков (группа-1) к внешним (группа-2). Это означает, что даже если разбавление ОС сохраняется, его профиль состава не может быть таким же, как и профиль частиц EPS.


Изображение 6

В заключение ученые провели анализ данных по ОС из разных уголков планеты, взяв за основу предыдущие исследования. Уровень SD-2 и ST-1 был в целом выше в отложениях пляжа, чем в донных отложениях, что может быть связано с накоплением обломков полистирола / EPS на пляже. Любопытно и то, что отношение ST-1 к SD-2 из других трудов демонстрирует ту же картину, что и в этом исследовании. Все отложения на пляже имели значения соотношения (т.е. 1.3811.8), превышающие 1.25, обнаруженные в свежих частицах буев EPS, в то время как все донные отложения демонстрировали отношения намного ниже (т.е. 0.030.40), чем у частиц EPS, но близкие к его фильтрату. Этот результат подразумевает, что пляжные и бентические отложения могут представлять собой различные ОС, происходящие из разных источников (т.е. морских частиц EPS и их фильтрата).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог


В данном труде ученые проанализировали факторы, влияющие на распространение олигомеров стирола (ОС) в морской среде, а также их источник и динамику взаимодействия со средой во время разложения. Для этого были изучены образцы донных отложений и частиц буев, сделанных из EPS (вспененный полистирол).

Самая неожиданная находка заключается в том, что промышленные районы были источниками далеко не самого большого объема ОС в континентальных водах. Куда больше ОС происходило из жилых и сельскохозяйственных регионов. Что касается прибрежной зоны, то тут основным виновником ОС загрязнения являются буи, два миллиона которых используется каждый год, но лишь 28% из них извлекаются после использования.

Однако, как заявляют ученые, ранее проводимая оценка экологической опасности того или иного пластикового мусора может быть ошибочной ввиду неточных измерений, которые могут возникать, если в образцах присутствуют частицы этого мусора. Другими словами, для точного анализа влияния загрязнителя на среду необходимо анализировать фильтраты, а не раствор. Суть в том, что разные компоненты пластикового мусора (например, SD димеры ОС и ST тримеры ОС) растворяются в воде с разной скоростью. Из-за этого их состав в прибрежных отложениях сильно отличается от того, что можно наблюдать в исходном материале (например, в пластиковых буях).

Было установлено, что ST, у которого молекулы более тяжелые и гидрофобные, как правило, оставался в мусоре и двигался в воде с меньшей скоростью, чем SD. Молекулы SD более легкие, а потому высвобождались из материала гораздо быстрее и, следовательно, лучше распространялись в водной среде. Это означало, что отношение SD к ST будет увеличиваться при удалении от источника загрязнения.

Ученые считают, что их находка может стать новым критерием для более точной оценки источников ОС и оценки экологического риска загрязнения того или иного региона. На основе данных, полученных в ходе таких исследований, можно будет сформировать новые правила по использованию определенных компонентов пластиковых продуктов, исключив или уменьшив использование тех, которые являются самыми агрессивными в аспекте распространения и последующего загрязнения.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Силикалит титана расшифровка свойства популярного катализатора

06.01.2021 12:20:45 | Автор: admin
Молекулярная структура ST-1Молекулярная структура ST-1

Каждый день мы пользуемся множеством разнообразных устройств, частенько даже не задумываясь о том, как именно они работают. Проецирование подобной ситуации на что-то гораздо более серьезное, например, на химическую промышленность кажется абсурдным. Ведь во время производство химических веществ нужно точно знать его компоненты, их свойства и то, как они взаимодействуют. Верно? И да, и нет. Силикалит титана (ST-1) является крайне популярным катализатором в химической промышленности, который используется уже порядка сорока лет. Тем не менее его реальных свойств, как оказалось, никто не знает. Посему ученые из Кельнского университета решили провести детальный анализ ST-1, чтобы раскрыть его секреты. Каковы свойства ST-1, что позволяет ему быть столь эффективным катализатором, и как новые данные могут повлиять на химическую промышленность? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Как можно догадаться из названия, ST-1 относится к силикалитам. Это неорганические соединения (SiO2), состоящие из тетраэдрических кремниевых центров и двухкоординированных оксидов. Получить это вещество можно посредством гидротермальной реакции с использованием гидроксида тетрапропиламмония (C12H29NO) с дальнейшим удалением остаточного аммония.

Основная особенность силикалита в том, что он примерно на 33% пористый. Польза от этого заключается в том, что он содержит кольца (SiO)10, которые позволяют сорбировать гидрофобные молекулы диаметром 0.6 нм.

Силикалит титана (Si1-xTixO2) является модификацией силикалита с добавлением титана. Если точнее, то в ST-1 1-2% атомов кремния (Si) заменены на атомы титана (Ti).

ST-1 широко используется в промышленности благодаря своей способности каталитически эпоксидировать олефины перекисью водорода (H2O2), побочным продуктом чего является обычная вода. Этот процесс является основой для производства оксида пропилена, который в дальнейшем участвует в создании полиуретановых пластмасс и пропиленгликоля.

Каталитические свойства TS-1 обычно объясняются наличием изолированных центров Ti(iv) в цеолитовом* каркасе (MFI).

Цеолиты* (MFI) - минералы, водные алюмосиликаты кальция и натрия из подкласса каркасных силикатов, способные поглощать и повторно отдавать воду в зависимости от температуры.

Проблема в том, что свойства ST-1 полностью не были изучены, несмотря на почти сорокалетнюю практику использования данного соединения.

В рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые решили использовать современные методики спектроскопии и микроскопии, дабы подробно охарактеризовать высокоактивные и селективные катализаторы эпоксидирования пропилена TS-1 с хорошо диспергированными атомами титана.

Ранее предполагалось, что активные частицы в TS-1 представляют собой изолированные области Ti(iv), несущие пероксо- или гидропероксогруппы. Также интерес ученых привлекали и концевые Ti-оксо* и активированные H2O2 элементы Ti(iv) ( и 1b).

Изображение 1Изображение 1

Термин оксо* (анг. oxo) обозначает группу =O, связанную с соответствующим пронумерованным углеродом. Например, пировиноградная кислота (слева) также именуется как 2-оксопропановая кислота, где 2-оксо обозначает =O соединение с углеродом-2.

Ученые отмечают, что единственными гомогенными катализаторами эпоксидирования на основе Ti, способными эффективно использовать H2O2 в качестве первичного окислителя, являются двухъядерные катализаторы, такие как катализатор эпоксидирования Беркесселя Кацуки (1c).

Характеристики молекулярной структуры TS-1достаточно хорошо известны и позволяют выделить пероксо-соединения, однако получить информацию касательно структуры участков Ti в TS-1 гораздо сложнее. Потому было решено использовать 17O ЯМР-спектроскопию для анализа пяти различных образцов TS-1 (таблица ниже).

Таблица 1: данные образцов, использованных в исследовании.Таблица 1: данные образцов, использованных в исследовании.

Результаты исследования

Образцы TS-1 контактировали с 17O-меченным H2O2 в условиях окружающей среды, а потом исследовались с помощью ЯМР-спектроскопии при 100 К (2a и 2b).

Изображение 2Изображение 2

Данный метод исследования образцов позволяет наблюдать промежуточные продукты реакции, возникающие при активации H217O2, в то время как возможное усреднение сигнала из-за динамики избегается за счет низкой температуры. Дополнительно были записаны спектры H217O2 (2e) и H217O, поскольку эти молекулы, вероятно, могли присутствовать в образце катализатора.

Спектры TS-1 (с разной концентрацией Ti), контактирующего с 1.6 М раствора H217O2 в течение 23 часов, показали, что H217O2 полностью вступил в реакцию во всех случаях. Также были замечены два новых сигнала сопоставимой интенсивности (2a и 2b).

Один из сигналов демонстрировал относительно большую анизотропию, что указывает на анизотропный тензор химического сдвига и/или большую квадрупольную константу связи (CQ от quadrupolar coupling constant). Второй сигнал показал небольшую CQ и был похож на сигнал, ожидаемый для H2O или гидроксо-частиц.

Эти сигналы связаны с присутствием Ti в TS-1, потому как контактирование силикалита без Ti с H217O2 привело бы к проявлению сигналов только для H217O2.

Для обнаружения природы полученных сигналов были использованы расчеты по теории функционала плотности (DFT от density functional theory), которые позволяют определить сигнатуру различных промежуточных соединений в системе TS-1 / H2O2. Вычисленные сигнатуры 1-O2, H2O2 и H2O (2c и 2e) идеально воспроизвели наблюдаемые спектры, подтверждая, что DFT метод работает.

Рассчитанные DFT методом сигнатуры моноядерных центров Ti с оксо- и гидроксолигандами (2f) показали гораздо меньшую анизотропию по сравнению с экспериментальным спектром TS-1, контактирующим с H217O2. С другой стороны, боковые пероксолиганды (2g) или боковые гидропероксолиганды (2h) показали гораздо более широкие спектральные характеристики.

Уникальные особенности, наблюдаемые в экспериментальных спектрах, указывают на присутствие пероксо-участков с атомами кислорода в относительно симметричном окружении. Скорее всего, это двухъядерные Ti-пероксо-частицы, которые напоминают боковые пероксо-частицы (1-O2) соответствующего гомогенного биядерного катализатора эпоксидирования Ti-салален (1c), который действительно показывает подобную экспериментальную и рассчитанную сигнатуру (). Расчетная сигнатура двухъядерных пероксо-частиц в MFI каркасе и H2O хорошо согласуется с экспериментальными данными (2d).

Характерная сигнатура, которая приписывается присутствию неизолированных областей Ti, наблюдалась независимо от концентрации Ti. Несмотря на то, что спектроскопия не дает возможности провести точную количественную оценку, наблюдаемые биядерные участки составляют значительную часть сигнала, а это позволяет предположить, что большая часть Ti присутствует в неизолированной форме.

Изображение 3Изображение 3

Помимо прочего, дополнительно был проведен анализ УФ-видимого спектра образцов TS-1 ().

Кроме поглощения ниже примерно 300 нм, которое обычно связано с полосами переноса заряда узлов Ti, УФ-видимые спектры образцов TS-1 с 1.5 мас.% и 1.9 мас.% Ti показали ярко выраженную особенность с максимумом при около 320 нм, чего не было в образцах с содержанием Ti 0.5 и 1.0 мас.%. Такие показатели обычно можно увидеть при рассмотрении агломерата TiOx или анатаза.

Рамановская спектроскопия при 325 нм кластеров TiOx (3b) показала, что образцы с 1.5 мас.% и 1.9 мас.% Ti имеют моды комбинационного рассеяния при 149 см-1, 200 см-1, 398 см-1, 521 см-1 и 640 см-1. Эти моды, вероятно, происходящие от кластеров TiOx, отсутствуют в образцах с меньшей концентрацией Ti, а в образце с 1.9 мас.% Ti они крайне малы. Без усиления резонанса кластеров TiOx (при 266 нм) все образцы имеют одинаковые полосы комбинационного рассеяния, независимо от концентрации Ti.

Далее было проведено исследование образцов с помощью ПРЭМ (просвечивающий растровый электронный микроскоп). Результаты (3c и 3d) показали, что хотя в целом Ti хорошо распределен во всех образцах, небольшие дополнительные кластеры присутствуют в образцах с содержанием Ti выше 1.5 мас.%, что соответствует данным УФ-видимой и рамановской спектроскопии. Также была выявлена агломерация TiOx на поверхности образца с концентрацией 1.5 мас.%, которая отсутствует в образце с 1.0 мас.% Ti.

Совокупность вышеописанных данных говорит о том, что все образцы (независимо от их содержания Ti и наличия кластеров) имеют одну общую спектроскопическую характеристику: сигнал в ЯМР-спектроскопии, который согласуется с пероксо-частицами, обнаруженными в молекулярном комплексе 1-O2, то есть 22-пероксогруппа, заключенная в двухъядерный кластер Ti.

Каталитические механизмы TS-1

После подтверждения наличия в TS-1 двухъядерных центров Ti, способных активировать H2O2, необходимо было установить возможную структуру и реакционную способность этих центров. Для этого были проведены DFT вычисления и моделирование.

Данные по дифракции нейтронов показывают, что атомы Ti в TS-1 в основном расположены в узлах T6, T7 и T1125. По этой причине была создана модель MFI с заменой Ti в соседних положениях T7 и T11 в качестве прототипа биядерного кластера.

Пероксогенные частицы з TS-1 и H2O2, наблюдаемые с помощью ЯМР спектроскопии, стабильны в течение нескольких часов и, следовательно, соответствуют состоянию покоя катализатора.

По аналогии с молекулярным пероксокомплексом 1-O2, такая структура представляет собой 22-пероксокомплекс с мостиковой молекулой воды. Образование этой частицы (TS1-O2) из исходных оксо (TS1-O) и H2O2 обладает энергией реакции E -31.4 ккал/моль по отношению к разделенным реагентам, что согласуется с ЯМР наблюдениями ().

Изображение 4Изображение 4

Расчетная энергия переходного состояния E для переноса кислорода (эпоксидирование пропилена) непосредственно из этого промежуточного продукта относительно высока и составляет 17.4 ккал/моль.

Из этого следует, что TS1-O2 не будет вносить существенный вклад в активность эпоксидирования, как и в случае 1-O2, который неактивен в эпоксидировании в отсутствие H2O2.

Если же в реакции помимо TS1-O2 будет учавствовать H2O2, то образуется бис-гидропероксогруппа (TS1-(OOH)2), которая лишь немного выше по энергии по сравнению с отдельными TS1-O2 и H2O2 (E = 6.7 ккал/моль)

Добавление пропилена стабилизирует структуру по отношению к TS1- (OOH)2 (с пустыми порами) и пропилену (E = -5.9 ккал/моль), вероятно, из-за нековалентных взаимодействий между пропиленом и цеолитовым каркасом.

Переходное состояние для эпоксидирования пропилена из TS1-(OOH)2 + пропилен было обнаружено при E = 7.3 ккал/моль, что хорошо согласуется с экспериментально определенной начальной энергией активации 6.2 ккал/моль. Во время эпоксидирования гидропероксический атом водорода переносится на соседнюю группу Si-O, образуя фрагмент Ti-O-Ti с координированным силанольным лигандом Si-OH (TS1-(OOH)(O)). Это промежуточное соединение находится при E = -18.7 ккал/моль ниже TS1-(OOH)2 + пропилен.

Перегруппировка этой структуры в мостиковую гидроксогруппу (TS1-(OOH)(OH)) является экзоэнергетической на E = -14.3 ккал/моль. Энергетический барьер прямого переноса протона (E) составляет 14.2 ккал/моль. Регенерация активного бис-гидропероксида TS1-(OOH)2 + пропилен посредством реакции с пропиленом, образование H2O2 и высвобождение воды происходит при E = 16,7 ккал/моль.

Стоит отметить, что каждая стадия каталитического цикла является экзоэнергетической, что отражает общую экзотермичность процесса эпоксидирования.

Ранее предложенный каталитический механизм с участием изолированной Ti-гидропероксогруппы более вероятен лишь при энергетическом барьере для ключевого переходного состояния в 8.3 ккал/моль. Однако в этом случае не существует термодинамической движущей силы для образования гидропероксо-интермедиата. Кроме того, такая форма гидропероксо несовместима с экспериментальными ЯМР спектрами.

Тем не менее данное исследование, по словам его авторов, не исключает наличия изолированных кластеров Ti в TS-1. Скорее, оно показывает, что биядерные кластеры, подтвержденные в исследуемых образцах ЯМР спектроскопией, куда более эффективны при эпоксидировании пропилена.

В совокупности ЯМР, УФ-видимые и рамановские спектры, электронная микроскопия и DFT расчеты дают весьма убедительные доказательства присутствия неизолированных центров Ti в промышленно используемом катализаторе эпоксидирования TS-1.

Данные биядерные центры, которые очень похожи на наблюдаемое состояние покоя гомогенных катализаторов эпоксидирования на основе Ti, обеспечивают низкоэнергетическое эпоксидирование пропилена через переходное состояние с переносом кислорода, что очень похоже на электрофильное эпоксидирование надкислотами.

Биядерный кластер Ti в цеолитовом каркасе предварительно организует гидропероксогруппу для обеспечения эффективной реакции с олефинами. Эта кооперативность атомов металла в TS-1 кажется существенной для эффективного катализа и имеет параллели с медьсодержащими цеолитами, которые позволяют селективно окислять метан до метанола.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые исследовали свойства катализатора TS-1, который применяется в промышленности уже сорок лет. Ранее принцип катализа, вызванного TS-1, уже описывался, однако это делалось скорее по аналогии с другими Ti содержащими катализаторами, нежели по данным наблюдений и расчетов.

Многочисленные экспериментальные наблюдения и моделирование показали, что перекись водорода активируется атомной парой титана, т.е. результаты гомогенного катализа также применимы к гетерогенному катализу. Исследование показало, что не все атомы титана в структуре катализатора TS-1 являются разделенными, хоть и такие имеются. Следовательно, центр катализа состоит из нескольких атомов титана, т.е является атомным кластером. Именно эти кластеры и являются движущей силой катализа.

Как заявляют авторы сего открытия, они не смогли бы его получить, если бы не накопленные за многие годы знания и современные методы спектроскопии, микроскопии и моделирования. Вполне вероятно, что ученые прошлогоы не смогли прийти к правильным выводам именно из-за отсутствия необходимых инструментов, которые бы показали куда более полную картину происходящего в катализаторе TS-1.

Новые данные могут послужить отличным базисом не только для совершенствования имеющихся катализаторов, но для создания новых гомогенных и гетерогенных катализаторов. В дальнейшем ученые намерены применить свои новые данные и использованные в данном труде методики для изучения других химических соединений, дабы понять их природу, а также для улучшения самого метода исследования.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! <b>Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Подробнее..

Экологически чистое освещение люминесцентная гидрофобная древесина

08.01.2021 12:15:36 | Автор: admin


Для качественного выполнения любой работы, независимо от сферы деятельности, от человека требуются знания, навыки и опыт. В дополнение к этому нужны инструменты, позволяющие выполнять работы либо облегчить этот процесс. Чем лучше медицинское оборудование, тем безопаснее пройдет операция; чем лучше нитки, тем качественнее будет предмет гардероба; чем лучше ПО и железо, тем быстрее и проще будет создана программа и т.д. Универсальным же инструментом практически для всех профессий является свет. Правильное освещение рабочего места не только упрощает выполнения задач, но и напрямую влияет на психо-физическое состояние того, кто их выполняет. Большинство материалов, используемых для оптического освещения, создаются из стекла, пластика и композитных материалов. Все они обладают хорошими физико-химическими свойствами, но не являются экологичными. Ввиду этого ученые из Американского химического общества (Вашингтон, США) разработали экологичный гидрофобный био-материал, способный излучать равномерный свет. Что послужило основой данной разработки, какие результаты показали эксперименты, и где может быть использована эта новинка? Свет на эти вопросы прольет доклад ученых. Поехали.

Основа исследования


Если есть необходимость создать что-то экологически чистое и био-разлагаемое, то лучшим кандидатом для этого будут материалы, встречающиеся в природы.

Ученые отмечают, что пленки на основе нанофибриллированной целлюлозы (NFC от nano-fibrillated cellulose) широко используются в оптических приложениях (оптические датчики, электроника, дисплеи и детали фотоэлементов) благодаря хорошим механическим свойствам целлюлозы, а также оптическим характеристикам и низкому коэффициенту теплового расширения.

Отлично и то, что структуру целлюлозной пленки и ее оптические свойства можно настраивать, однако имеются трудности в манипуляциях с ее механическими свойствами, ограниченными случайной ориентацией нанофибрилл целлюлозы.

Эту проблему все же удалось решить посредством выравнивания волокон с помощью самых разных методик: гидродинамическое формирование, мокрое формирование, механическое вытягивание, выравнивание электрического или магнитного поля и т.д.

Материалы с выровненными фибриллами целлюлозы обладают улучшенными механическими свойствами, но сопутствующая анизотропия оптических свойств ограничивает их использование для систем внутреннего освещения или солнечных элементов из-за неоднородного освещения и рассеяния.

Кроме того существует еще один важный фактор гидрофобность. Вода, как мы знаем, крайне негативно влияет на целлюлозу и, следовательно, на ее рабочие характеристики и механические свойства. Логичным решением этой задачи является использование специального покрытия, обволакивающего целлюлозный материал, либо применение химической обработки для преобразования их гидрофильных гидроксильных групп в гидрофобные.

Из всего этого следует, что существуют материалы на основе целлюлозы, которые могли бы обладать отличными свойствами, но в комплекте с ними идут и проблемы, решение которых требует применения сложных методик. Грубо говоря, решаем одну проблему, как тут же возникает новая.

Авторов рассматриваемого нами сегодня исследования вышеперечисленное не напугало, поскольку в качестве целлюлозной основы их будущего светильника можно использовать делигнифицированную древесину. Ранее уже сообщалось о разработке методики по созданию прозрачной пленки на древесной основе, сочетающей в себе анизотропные оптические характеристики, гибкость, гидрофильность и отсутствие полимерной матрицы.

Такие прозрачные древесные композиты производятся для оптических материалов путем комбинации делигнифицированной древесины и полимеров, соответствующих показателю преломления (например, полиметилметакрилат или эпоксидная смола).

Казалось бы, вот и решение всех бед. Но и в этом материале сокрыты недостатки. Гидрофобные полимеры обладают низкой совместимостью с полисахаридами полярных каркасов (целлюлоза / гемицеллюлозы). Из-за этого на материале могут появляться микро-трещины, нарушающие его гидрофобность и оптические свойства. Вдобавок к этому такой материал не поддается формированию и имеет анизотропное рассеяние света, что сильно ограничивает возможное применение в аспекте внутреннего освещения. Те древесные композиты, что используются сейчас в качестве основы для освещения, делаются на базе полимеров. Следовательно, их экологичность крайне сомнительна.

В данном же исследовании ученые описывают процесс создания многофункциональной гибкой древесной пленки с высокими механическими характеристиками, которая может использоваться в оптическом освещении.


Изображение 1

Высокоуровневая целлюлозная матрица была получена путем удаления большей части лигнина и половины гемицеллюлозы из древесины с последующим внедрением квантовых точек* (КТ) CdSe/ZnS ().
Квантовая точка* фрагмент проводника или полупроводника, носители заряда которого ограничены в пространстве по всем трем измерениям.
Далее полученные образцы прессовали и сушили в условиях окружающей среды, а потом покрывали молекулами гидрофобного гексадецилтриметоксисилана (HDTMS или H3C(CH2)15Si(OCH3)3) посредством химического осаждения из паровой фазы.

Полученный люминесцентный целлюлозный материал является механически прочным, гибким, гидрофобным, но не содержит полимерной матрицы. Такие свойства делают его отличным кандидатом для применения в качестве оптического материала (1b).

Результаты исследования



Изображение 2

В качестве основы будущего люминисцентного био-материала было использовано бальзовое дерево (Ochroma pyramidale) с плотностью 0.17 г/см3 (вставка на ). На снимке поперечного сечения древесины (толщиной 1 мм) видны типичные тонкостенные волокна неправильной сотовой формы ().

Обработка делигнификацией привела к уменьшению флуоресценции, наблюдаемой во всех клеточных стенках, связанной с лигнином (2b). Исследование поперечных сечений делигнифицированной древесины выявило пористость микронного размера в сложной срединной ламелле и в клеточной стенке, а также поры нанометрового размера.

Порядка 93% лигнина, 49% гемицеллюлозы и 19% целлюлозы было удалено, что привело к 45% потери веса образца. Далее делигнифицированную древесину (во влажном состоянии) прессовали и сушили до достижения постоянного веса в условиях окружающей среды. В результате была получена уплотненная и не содержащая полимерной матрицы древесная пленка (ДП или WF от wood film) со слоистой структурой (толщина 60 мкм, плотность 1.2 г/см3), плоской поверхностью (вставка на 2d) и упакованными клетками, связанными друг с другом посредством водородных связей. При этом связки целлюлозных фибрилл сохраняли свою первоначальную ориентацию и выравнивание в направлении роста волокон (2e).

Далее клеточные стенки были пропитаны коллоидной суспензией люминесцентных квантовых точек CdSe/ZnS, диспергированных в толуоле. Раствор квантовых точек диффундировал в заполненные жидкостью стенки клеток до достижения равновесия. После этого была проведена еще одна процедура прессования и сушки (2f). В результате квантовые точки были буквально впечатаны в поверхность выровненных нанофибрилл целлюлозы (2g).

Толщина полученного образца люминисцентной древесной пленки (ЛДП или LWF от luminescent wood film) была немного больше, чем толщина пленки до обработки, что вызвано процессом пропитки. Ввиду этого пористость конечного образца была также выше (2d и 2f).

При воздействии УФ-лазера (v = 405 нм) ЛДП имела однородный спектр флуоресцентного излучения (вставка на 2f). Это указывает на то, что квантовые точки хорошо диспергированы в образце с некоторыми локальными агрегатами на поверхности пленки (вставка на 2h и 2i). Дополнительным подтверждением успешного внедрения квантовых точек стала энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия, показавшая наличие спектров Cd, Se, Zn и S, являющихся составными элементами квантовых точек. Проверка механических свойств образцов показала, что прочность на разрыв древесной пленки (WF) составила 394 МПа, а люминесцентной пленки (LWF) 292 МПа ().


Изображение 3

Данные показатели объясняются сильно выровненной ориентацией целлюлозы, ее высокой кристалличностью, а также механическим сцеплением волокон.

При этом модуль Юнга LWF составил 24.4 ГПа, а модуль Юнга WF 42.7 ГПа. Разница в этом показателе, вероятно, вызвана меньшим количеством водородных связей из-за более низкой плотности (1.14 против 1.2 г/см3) LWF и более высокой пористости в результате этапа внедрения квантовых точек (2f).

Ученые отмечают, что механические свойства обеих пленок (WF и LWF) значительно лучше, чем у аналогов, применяемых на данный момент. К примеру, значения прочности пленок выше, чем у большинства полимеров, эластомеров и пен (3b).

В поперечном направлении волокон в пленке WF наблюдается модуль Юнга 5.7 ГПа и прочность 76 МПа, а вот пленка LWF показала модуль Юнга 5.3 ГПа и прочность 64 МПа. Эти показатели также немного выше, чем у коммерческих полимеров (например, полиэфир, полипропилен и полиэтилен).

Графики и 3d отображают оптические характеристики разработанной древесной пленки. Размещение пленки WF или LWF поверх напечатанного текста не закрывает его полностью (вставка на ). Стенки клеток обладают практически однородным показателем преломления ( 1.53), потому образец WF имеет высокую прозрачность (81%) на длине волны 550 нм (). Ввиду частотного поглощения и рассеяния света квантовыми точками прозрачность образца LWF (т.е. люминесцентной пленки) снизилась до 70%.

При возбуждении УФ-излучением квантовые точки в образце испускали и рассеивали оранжевый свет с emi 585 нм (3d), равномерно распределенный по всей поверхности пленки.

Пик излучения был максимальным при длине волны возбуждения 440 нм и уменьшался при более высоких длинах волн. Как и ожидалось, интенсивность испускаемого света увеличивалась при увеличении концентрации квантовых точек в образце.

Далее были рассмотрены гидрофобные свойства образцов. Как правило целлюлозные материалы чувствительны к воде. Чтобы избежать этого, образцы WF и LWF были покрыты гидрофобными молекулами HDTMS (4a).


Изображение 4

Спектроскопия, показавшая наличие кремниевых элементов, подтвердила успешность добавления HDTMS на поверхность LWF (4b).

Образец WF с непокрытыми нанофибриллами целлюлозы на поверхности имел наименьший начальный угол контакта с водой (70) и высокую скорость поглощения в течение первых 2 секунд (4c, слева). Добавление квантовых точек увеличивает гидрофобность, увеличивая угол контакта образца LWF до 118, однако вода все еще абсорбируется.

После нанесения гидрофобного покрытия полученный образец LWF/HDTMS продемонстрировал угол контакта 139.6 и гораздо более низкую скорость водопоглощения (уменьшение на 2.3 за 180 секунд) по сравнению с LWF без покрытия (4c, справа).

Сравнение уровня влаги (4d) подтвердило, что образец LWF/HDTMS имел наименьший показатель в сравнении с образцами LWF или WF/HDTMS.

Данные результаты показывают, то гидрофобность пленки была увеличена за счет комбинированного действия квантовых точек и молекул HDTMS. По сравнению с WF, добавление гидрофобных частиц (т.е. квантовых точек) и слоя HDTMS увеличивало шероховатость поверхности LWF и WF/HDTMS, соответственно (4e). Низкая поверхностная энергия и повышенная шероховатость поверхности LWF/HDTMS позволили капле воды скользить вниз при наклоне пленки на 90.

Важно и то, что гидрофобность пленки можно регулировать, увеличивая или уменьшая время химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ или CVD от chemical vapor deposition), используемого для нанесения на образец слоя HDTMS. К примеру, образец WF/HDTMS достиг наивысшего краевого угла смачивания водой после 4 часов ХОГФ-обработки.

Внедрение слоя HDTMS также увеличило прочность на разрыв пленки WF. Образцы LWF/HDTMS показали прочность 306 21 МПа во время тестов при относительной влажности 50%. Увеличение влажности до 75% привело к уменьшению прочности до 271 16 МПа, а при влажности в 90% до 232 14 МПа. Самым очевидным объяснением этим изменениям является поглощение влаги, которое влияет на водородные связи между молекулами целлюлозы.

Несмотря на это, механические свойства полученных образцов все же остаются на достаточно высоком уровне. Анализ данных показывает важный аспект, который будет рассмотрен в дальнейших трудах, нанесение слоя HDTMS в основном влияет на свойства поверхности, а не на сорбционные свойства внутри образца.


Изображение 5

После проверки свойств образцов были проведены практические испытания (), нацеленные на оценку рассеяния света.

Из-за анизотропной структуры WF рассеянный свет создавал эллипсоидальное пятно с разной интенсивностью в направлениях x и y (5b). Любопытно, но в случае образца LWF/HDTMS световое пятно было практически круглым (). Сходные интенсивности рассеянного света в направлениях x и y образца LWF/HDTMS можно приписать распределенным квантовым точкам, излучающим однородный световой узор. А вот световые лучи, проходящие через стекло и пластик, проецировались на детектор с низким рассеянием и образовывали пятна с небольшой интенсивностью.

Для измерения оптических свойств LWF было использовано два типа квантовых точек с разной длиной волны (5d). После внедрения того или иного типа квантовых точек, образец испускал зеленый или красный свет, а надпись под образцом была отчетливо видна (). Спектры фотолюминесцентного излучения показали длины волн излучения при emi 550 нм для зеленого и emi 640 нм для красного цвета. Посредством прессования и сушки эти образцы стали крайне гибкими на изгиб (5f).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


В данном труде ученые рассказали о новом типе био-материала, созданном на основе древесины. Во время изготовления тонкие пленки древесины оснащались квантовыми точками и покрывались слоем HDTMS. В результате были получены люминесцентные пленки, демонстрирующие высокую степень механической прочности и гидрофобности.

Полученный материал, как заявляют сами ученые, может стать заменой имеющихся на данный момент полимерных материалов в области внутреннего освещения, так как он не уступает коммерческим вариантам в аспекте как оптических, так и механических свойств. При этом люминесцентные древесные пленки отличаются высокой степенью биоразложения.

Конечно, на данном этапе пленки LWF далеки от идеала. В дальнейшем ученые намерены продолжить работу над ними, дабы повысить степень гидрофобности, улучшить оптические свойства и усовершенствовать процесс производства.

Несмотря на необходимые доработки, уже сейчас можно оценить потенциал подобных разработок. Правильное освещение, естественно, имеет большое значение для человека, но это не означает, что можно использовать материалы, пагубно влияющие на окружающую среду. Совершенствование имеющихся технологий, даже если они идеально работают, за счет повышения их экологичности это не глупая затея и не пустая трата времени, а достойное одобрения начинание. Мнений касательно состояния окружающей среды много, но факты и статистика беспощадно неопровержимы.

Конечно, исправить все за мгновение ока, как того хотят некоторые радикально настроенные индивиды, нельзя. На все нужно время, но благодаря подобным исследованиям и разработкам человечество сможет минимизировать неизбежный вред, которое оно оказывает на окружающую среду.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Зеленый иммунитет как растения реагируют на травоядных насекомых

15.01.2021 12:16:15 | Автор: admin

Что спасает от гусениц, к сожалению, с котами не работает.

Взаимоотношения между растениями и травоядными животными можно с легкостью назвать сложными. С одной стороны, если бы не было травоядных, то растения могли бы расти и процветать. С другой стороны, переизбыток растений определенного вида привел бы к истощению ресурсов и вероятной гибели всего вида в конкретном регионе произрастания. В природе все связано, недаром в нашем лексиконе присутствует фраза пищевая цепочка. К примеру, овечки едят траву, а волки едят овец. Если нет волков, то овцы могут расплодиться и выкосить все поле. Если же нет овец, то волки голодают, а поле разрастается до предела, после которого также начинает чахнуть. Однако грандиозный план природы и ее взгляды на межвидовой баланс не отменяют того факта, что любые организмы тем или иным образом борются с теми, кто стоит выше в пищевой цепи. Ученым из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) удалось идентифицировать рецепторы, которые позволяют растениям чувствовать атаки травоядных. Как именно работает эта система, какие процессы она запускает, и как это помогает растениям противостоять травоядным? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Никто не будет отрицать важность травоядных в аспекте регулирования глобальных пищевых сетей (упрощенный пример про овец, волков и поле). Однако нельзя отрицать и пагубное влияние некоторых из них на сельское хозяйство. Все мы слышали о нашествиях саранчи, которая способна за очень короткое время подчистую уничтожить несколько гектаров посевов. Люди справляются с этой проблемой самыми разными методами: от применения химикатов до генетической модификации сельхоз культур.

Растения также не сидят сложа руки в ожидании быть съеденными. Многие виды обладают специфической реакцией на воздействие со стороны травоядных, которая базируется на восприятии специфических молекулярных структур, связанных с травоядными животными (HAMP от specific herbivore-associated molecular patterns). Ранее определить источник этой реакции не представлялось возможным. Однако в рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые идентифицировали рецепторы, которые обеспечивают передачу сигналов и защиту в ответ на определенные HAMP, присутствующие в оральном секрете (OS от oral secretions) гусениц.

К примеру, коровий горох (Vigna unguiculata) и фасоль обыкновенная (Phaseolus vulgaris) специфически реагируют на OS посредством распознавания протеолитических фрагментов хлоропластной АТФ-синтазы (cATPC от chloroplastic ATP synthase -subunit), называемых инцептинами.

Доминирующий инцептин, присутствующий во время атаки гусеницы на коровий горох, представляет собой пептид из 11 аминокислот (AA от amino acid), называемый Vu-In (+ICDINGVCVDA-). Эпитоп* Vu-In не является редкостью среди cATPC последовательностей у растений, однако только виды из подтрибы* бобовых Phaseolinae реагируют на инцептин.
Эпитоп* часть макромолекулы антигена, распознаваемая иммунной системой.
Триба* ранг в биологической систематике, стоящий ниже семейства и выше рода.
У растений внеклеточные пептидные сигналы могут распознаваться специфическими рецепторами опознавания паттерна (PRR от pattern recognition receptors). По мнению ученых, бобовые кодируют рецептор инцептина (INR), обеспечивающий распознавание Vu-In. Посему в данном труде были рассмотрены все процессы, протекающие с участием инцептина, как ответ растения на атаку гусеницы.

Результаты исследования


Чтобы идентифицировать INR кандидатов, необходимо было исследовать вариацию ответа растений как на Vu-In, так и на менее биоактивный C-концевой усеченный инцептин, названный Vu-In-A (+ICDINGVCVDA-), обнаруженный в OS травоядной гусеницы (Anticarsia gemmatalis), предпочитающей именно бобовые. Дополнительно была проверена зародышевая плазма* коровьего гороха на наличие положительных ответов, вызванных Vu-In-A.
Зародышевая плазма* живые генетические ресурсы, такие как семена или ткани, хранимые в специальных банках (например, Всемирное семенохранилище на Шпицбергене) для разведения, сохранения и/или исследования.
Образцы Danila, Suvita и Yacine после нанесения Vu-In-A на поврежденные листья показали индуцированное производство этилена, тогда как от других образцов ответных реакции не было (1A).


Изображение 1

Хотя ответы на Vu-In-A были количественно низкими по сравнению с полностью активным Vu-In (1A), можно с уверенностью заявить, что существование качественной вариации ответа на более слабый вариант элиситора может быть опосредован генетической изменчивостью INR.

Для картирования INR были использованы популяции из 85 рекомбинантных инбридных линий* (РИЛ или RIL от recombinant inbred lines), полученных от скрещивания образцов Yacine (Vu-In-A-чувствительный) и 5877 (Vu-In-Aнечувствительный) для картирования локусов количественных признаков (QTL от quantitative trait locus). Также использовался набор из 364 образцов коровьего гороха для полногеномного поиска ассоциаций* (GWAS от genome-wide association studies).
Рекомбинантные инбридные линии* (RIL) представляют собой набор штаммов, которые можно использовать для картирования локусов количественных признаков. Родительские штаммы скрещиваются для создания рекомбинантов, которые затем инбредируются (скрещивание близкородственных форм в пределах одной популяции) до изогенности (генетической идентичности), что приводит к целостному образцу для картирования и анализа признаков.
Полногеномный поиск ассоциаций* исследование, связанное с определением ассоциаций между геномными вариантами и фенотипическими признаками.
Vu-In-A вызывал непостоянное производство этилена в разных образцах. QTL-картирование и GWAS показали, что ответы Vu-In-A сильно связаны с одним генетическим локусом в обеих популяциях ( и ).

В отличие от качественных вариаций в ответах растений на Vu-In-A, количественные вариации в ответ на Vu-In приводили к различным локусам-кандидатам, которые не соответствовали статистическим пороговым значениям QTL и GWAS, а потому в дальнейшем не рассматривались.

Наиболее высоко ассоциированными маркерами с ответом Vu-In-A как при картировании QTL, так и при GWAS, были однонуклеотидные полиморфизмы (SNP от single-nucleotide polymorphism) 2_22560, 2_22561 и 2_09070, охватывающие область 22 килобаз (кб) на 7-ой хромосоме (1D).
Килобаза* (кб) тысяча пар оснований. Относится к спаренным основаниям, которые являются парой двух азотистых оснований нуклеотидов на комплементарных цепочках нуклеиновых кислот, соединенная водородными связями.
Оба маркера (2_22560 и 2_22561) попали в RLP-кодирующий ген Vigun07g219600, что согласуется с потенциальной ролью в рецептор-опосредованных ответах инцептина.

Дабы оценить функцию INR кандидата, была выполнена временная экспрессия гена Vigun07g219600 из эталонного образца IT97K- 499-35 в Nicotiana benthamiana (растение, родственное табаку). После этого была проверена чувствительность к Vu-In.

Признаками защитных реакций, опосредованных рецепторами, являются выброс активных форм кислорода (АФК или ROS от reactive oxygen species) и выработка этилена. Временная экспрессия рецептора EFTu (EFR) в N. benthamiana вызвала ответы на пептид elf18, но не на Vu-In (2A).


Изображение 2

Экспрессия Vigun07g219600 избирательно активировала Vu-In-индуцированные ROS (2B и 2C) и продукцию этилена (2D) для Vu-In, но не elf18. Это подтвердило, что именно ген Vigun07g219600 кодирует функциональные INR.

Чтобы понять основу фенотипической изменчивости коровьего гороха, было выполнено клонирование и экспрессирование аллелей INR от шести образцов с дифференциальными ответами Vu-In-A. Вариация ответа Vu-In-A, первоначально наблюдаемая у коровьего гороха, соответствовала силе аллеля INR, поскольку только аллели INR от Vu-In-A-образцов гороха обеспечивали индуцированную Vu-In продукцию АФК и этилена в N. benthamiana (2E). Ученые отмечают, что ни один из протестированных аллелей не давал Vu-In-A ответов в N. benthamiana.

Учитывая, что все 364 протестированные образцы коровьего гороха реагируют на Vu-In, данные анализа подтверждают, что естественные вариации INR коровьего гороха определяют порог активации для слабого элиситора (Vu-In-A).

Важно и то, что INR представляет собой богатый лейцином (LRR)-RLP класс рецепторов, отличающийся от LRR-RK отсутствием внутриклеточного киназного домена. INR содержит 29 полурегулярных LRRs с промежуточным мотивом, предшествующим трансмембранному домену и короткому цитозольному сегменту. Локус INR у коровьего боба содержит Vigun07g219700 (72% сходства с AA), который неспособен обеспечивать Vu-In-индуцированную продукцию этилена при экспрессии в N. benthamiana. Но вот Phvul.007G077500 (из Phaseolus vulgaris) и Vradi08g18340 (из Vigna radiata), обладающие 90% сходства, вызвали образование этилена, индуцированное Vu-In.

Примечательно, что секвенированный геном P. vulgaris из образца G19833 содержит единственный рецептор RLP в локусе INR (1D) и устойчиво реагирует на инцептин.

Основной вывод проведенных сравнительных тестов заключается в том, что именно подгруппа бобовых, включающая Phaseolus и Vigna, уникальным образом кодирует функциональные INR, достаточные для того, чтобы вызывать у табака (N. benthamiana) HAMP-индуцированные ответы.


Изображение 3

Чтобы исследовать связывание инцептина, необходимо было достичь стабильной активности связывания пептида с INR внутри растения. Для этого был создан N-концевой Vu-In конъюгат (Acri-Vu-In), меченый акридином (флуоресцентный реагент). После этого измерялся сигнал люминесценции иммунопреципитированным полуочищенным INR-GFP, экспрессируемым в листьях N. benthamiana.

Иммунопреципитированный INR-Vu сохранял люминесцентный сигнал Acri-Vu-In, в то время как образец из контрольной группы, Phvul.007g087600, не демонстрировал никакого сигнала (3A). И Vu-In, и Vu-In-A конкурируют за удерживание Acri-Vu-In в концентрациях от 50 до 500 нМ (3B).

Для лучшего понимания потенциальных участков, которые могут опосредовать прямые физические взаимодействия INR с инцептином, была создана модель гомологии INR на основе кристаллической структуры эктодомена LRR FLAGELLIN-SENSING 2 (FLS2) и выполнено моделирование молекулярного докинга Vu-In. Предполагаемые конформации с наименьшей энергией оценивались по отношению к связываниям пептидов.
Молекулярный докинг* метод моделирования, позволяющий определить лучший вариант ориентации и конформации одной молекулы (лиганд) в участке связывания другой (рецептор).
Во множественных низкоэнергетических конформациях Vu-In кислотный остаток лиганда Asp10 показал консервативное положение связывания и конформацию за счет взаимодействия с обоими основными остатками INR-Vu His495 и Arg497 (3D).

Ранее проведенные исследования утверждают, что Asp10 является единственным AA, существенным для образования этилена, индуцированного Vu-In. Чтобы это проверить, INR-Vu у His495 / Arg497 заменили на Ala495 / Ala497. Это привело к потере удерживания Acri-Vu-In и продукции ROS, индуцированной Vu-In у N. benthamiana (3D).

Данные анализа показывают, что INR-Vu является достаточным для удержания Acri-Vu-In в табаке и что эта активность частично опосредуется боковыми цепями His495 / Arg497.

Поверхностные рецепторы LRR-типа у растений обычно связываются с корецепторами рецепторной киназы соматического эмбриогенеза (SERK) для передачи сигнала. Кроме того, RLP постоянно связываются с SOBIR1, который противодействует белку BIR1 и способствует защите растений.

Ассоциация INR как с AtSOBIR1, так и с VuSOBIR1 (Vigun09g096400) была конститутивной (3E), тогда как INR сильнее ассоциировалась с корецепторами AtSERK после обработки пептидом (3F и 3G). Следовательно, INR связывается с SOBIR1 аналогично вышеупомянутым LRR-RLP.


Изображение 4

Необходимо было проверить, достаточно ли только INR для активации защиты от травоядных у растения, от природы лишенных естественных реакций инцептина. Для этого была выполнена модификация N. benthamiana и Nicotiana tabacum трансгенами 35S: INR-Vu или 35S: INR-Pv. Множественные независимые трансгенные линии, экспрессирующие 35S: INR, успешно отвечали на Vu-In ( и ).

Транскриптомная характеристика Vu-In-индуцированных ответов в линии 1-5 INR-Pv N. benthamiana показала усиление регуляции характерных генов защиты от травоядных. Следовательно, было доказано, что два классических защитных маркера, ингибитор трипсина Кунитца (KTI) и аскорбатоксидаза (AscOx), активируются в присутствии как INR, так и Vu-In ().

В заключение был проведен практический тест, в котором использовались табак и личинки Spodoptera exigua. Гусеницы, поедающие растения, которые прошли этап трансгенных изменений, росли на 32-37% медленнее, чем в случае поедания не измененных растений (4D и 4E). Следовательно, гетерологичная экспрессия INR-Vu или INR-Pv вызывает защитные реакции у растений при атаке травоядных животных.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


Для многих из нас растения являются частью пейзажа, будто они не живые организмы, а лишь декоративные предметы. Однако любое растение является сложным многоклеточным организмом, способным на удивительные вещи. В данном труде ученые установили, что некоторые виды бобовых распознают определенные вещества, которые входят состав орального секрета гусениц. Распознав атакующего, растение активирует защитный механизм, позволяющий ему противостоять травоядным гурманам.

Удивительно и то, что данный механизм, ввиду его активации через оральный секрет гусеницы, не будет активироваться в случае любых других физических повреждений. Другими словами, растение прекрасно понимает, когда листок был поврежден упавшей веткой, а когда его начинают есть.

Расшифровка принципов работы защитных механизмов разных видов растений имеет огромное значение для сельского хозяйства, ибо далеко не все растения обладают столь эффективной защитой. Генетические модификации, как бы к ним не относились некоторые люди, позволяют совершенствовать сельхоз культуры, делая их более устойчивыми к погодным колебаниям, нападкам паразитов и различным заболеваниям.

К примеру, возьмем один из самых популярных фруктов на планете банан. Существует так называемая панамская болезнь, вызываемая грибковым патогеном Fusarium oxysporum f.sp. cubense и поражающая ствол банановых пальм. Впервые грибок заявил о себе еще в 1950-ых годах, когда фактически истребил сорт бананов Musa acuminata, которые до этого был самым экспортируемым в страны Европы и Северной Америки.

На данный момент нет полноценной защиты или лечения от этого грибка. Распространяется он очень быстро за три года грибок может из одного дерева расползтись по всей плантации. К тому же этот грибок сохраняется в почве достаточно долго, а потому зараженную землю нельзя использовать около 40 лет. Сейчас ведутся исследования, в частности рассматривающие разные виды диких бананов, которые обладают природным иммунитетом от грибка. Выделение генов, отвечающих за защиту от грибка, и внедрение их в генную структуру коммерческих сортов является единственным вариантом эффективной болезни против панамской болезни.

Этот пример показывает, что генетические модификации это не то, что нам часто показывают в научно-фантастических фильмах с привкусом ужастика. Изменения генома того или иного организма, как правило, нацелено на его совершенствование, а порой и на его спасение. Конечно, дебаты насчет этичности некоторых генетических исследований не утихнут, пока светит Солнце. Тем не менее в любом споре рождается истина, потому развитие науки не прекращается, несмотря ни на что.

Пятничный офф-топ:

Далеко не все гусеницы предпочитают вегетарианское меню, есть и виды, которые с радостью полакомятся дрозофилой.

Офф-топ 2.0:

Пауки всегда рады, когда в их сети попадается очередная жертва, но порой для паука безопаснее отпустить добычу, нежели пытаться ее съесть.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

В футуристическом плену советского техдизайна

15.12.2020 16:09:41 | Автор: admin
Будущее нельзя предвидеть, его можно изобрести. (с) Деннис Габор

Если говорить о технологических достижениях Советского Союза, первое, что приходит на ум, это Спутник, космический корабль Союз, самолет Туполев-144 (знаменитый Конкордски) или огромные атомные подводные лодки. Навряд ли туда же можно отнести бытовую электронику и компьютеры, что неудивительно. И несмотря на многообещающее начало развития и разработки инновационных проектов под руководством советских пионеров таких как Сергей Лебедев и других в 1950-х и 1960-х годах, последующие периоды можно охарактеризовать как пассивная имитация самых популярных компьютеров, радиоприемников, телевизоров и другой бытовой электроники, произведенных в западном мире, особенно в США и Германии.


Парад в Берлине, 1987 год. Демонстрация одного из очень немногих оригинальных ПК, когда-либо произведенных в социалистическом государстве, VEB Robotron PC 1715, Восточная Германия

В одном из выпусков советского журнала Эстетика Дизайна за 1987 год вышла статья под заголовком Дизайн и проблемы перестройки образования. В ней обсуждался принятый широкими кругами общественности документ, проливающий свет на проблему отставания от потребностей народного хозяйства, науки и культуры, пробелы в стране дизайна. В условиях ускорения социально экономического развития страны ощутимо чувствовался недостаточный уровень подготовки научно-исследовательской деятельности, дизайнерское образование хромало почти на две ноги и однозначно отставало от (на то время) современного направления в мировом дизайне. Среди таких направления выделяли: гибкую технологию, роботизацию, автоматизацию производства. Узким место считался и дефицит кадров в этой сфере.

в итоге планы подготовки дизайнеров не отражают истинных потребностей в них. В силу этого показатель численности дизайнеров в расчете на 1 млн населения у нас по сравнению с рядом социалистических и капиталистических стран не только отстает (например в Японии на 1 млн 126 дизайнеров, в ГДР 135, в СССР 16), но и относительно снижается Нужна совершенная система опережающего, ориентированного на требования будущего дизайнерского образования. Советская модель дизайнерского образования должна стать одной из лучших в мире меньшим мы ограничиться не можем, если не хотим мириться с существующим отставанием.

Еще в апреле 1987 года был создан Союз дизайнеров СССР, был написан устав работы данного союза, цель звучала четко вперед за дизайном будущего!. Одним из направлений, которое смогло бы вывести советский научно-технический прогресс на новый уровень стало прогностическое проектирование. Оказалось, что в промышленно-развитых странах успешно практикуют футуро проекты уже на протяжении нескольких десятков лет. Такие прогностические проекты внедрены и являются неотъемлемой составной частью научно-технического прогресса. Полет воображения и мысли советских дизайнеров был жестко ограничен принципом проектирования от прототипа до ориентации на производство.

Многообразие жанров и видов зарубежных футуродизайнов:


Международная космическая станция (США)


Фрагмент макета офис будущего, ФРГ


Проект автомобильный штурман прибор обладающий голосом и мимикой (США)


Радиотелефон будущего (США)


Энимен робот телевизор (США)


Аппарат для путешествий (моноколесо, твой ли это прародитель?), США

Определение проектного прогнозирования в СССР, Рабочая книга по прогнозированию:
Проектный прогноз конкретных образов того или иного явления в будущем при допущении ряда пока еще отсутствующих условий отвечает на вопрос: как (конкретно) это возможно? как это может выглядеть?.. Проектные прогнозы призваны содействовать отбору оптимальных вариантов перспективного проектирования, на основе которых должно развертываться затем реальное текущее проектирование.

Ниже приведены советские продукты попыток проектного прогноза бытовой радиоэлектроники и не только. Поиск собственных идей без оглядки на Запад.



Возможно, самый дальновидный проект СФИНКС


В 80-х годах гениальный российский дизайнер и инженер Дмитрий Азрикан в известном институте ВНИИТЭ в Санкт-Петербурге начал работу над футуристической системой домашним телерадиокомплексом. Институт, название которого было аббревиатурой Всесоюзный научно-исследовательский институт технической эстетики был закрыт в 2013 году.

Проект, разработанный в 1986 году, СФИНКС/SPHINX (опять же аббревиатура, на этот раз от Super Functional Integrated Communication System) являл собой не просто прототип компьютера, как может показаться, но должен был бы выполнять функции различных систем, таких как домашняя бытовая автоматизация, цифровые развлечения, связь, удаленная работа и даже телемедицина. Проект под названием революционный компьютер был заказан Государственным комитетом по науке и технологиям, находился под прямым контролем советского правительства.


Канадский инженер и дизайнер с советскими корнями Дмитрий Азрикан, отец СФИНКСА.

Ядро системы модульный блок памяти, состоящий из центрального процессора. К ЦП подключались три треугольных модуля расширения памяти. Такая конфигурация была предназначена для того, чтобы несколько пользователей например, каждый член семьи могли работать одновременно в многозадачном режиме.


Ядро системы SPHINX, состоящее из треугольного процессора и трех модулей расширения памяти; фотография, первоначально опубликованная в журнале Technical Aesthetics, 1987 год

Состояла такая система из:

  • Одного или нескольких настольных блоков, которые служили и компьютером, и видеопрогрывателем, и мультимедийным проигрывателем. Блок(и) шли с клавиатурой, монитором в 19 дюймов, двумя съемными плоскими динамиками, беспроводными наушниками и дополнительным телефоном. В таком устройстве не было мыши, ее заменили своего рода d-pad с четырьмя треугольными кнопками направления.
  • Ручного пульта дистанционного управления с небольшим ЖК-экраном, микрофоном и динамиком, который превращался при желании в карманный компьютер.
  • Нескольких футуристических переносных устройств (никогда не ставших прототипами), включая умные часы, смарт-карты и солнцезащитные очки с дополненной реальностью.

Между собой устройства должны были коммуницировать при помощи радиоволн, а вся система с остальным миром через телефонную линию.


Прототип системы СФИНКС, выставленный сейчас в Московском музее дизайна

В основе дизайна системы простые геометрические формы: прямоугольники, треугольники и сферы. Тщательно разработанная для обозначения различных функций цветовая палитра состояла из белого, желтого, оранжевого, синего и голубого цветов.

Такой лаконичный, минималистичный дизайн был типичен для ВНИИТЭ, в то время здесь руководствовались и вдохновлялись аэрокосмической темой, а потому отдавали приоритет простоте, легкости и отсутствию ненужных элементов.

Планировалось, установить систему СФИНКС в большинстве домов в России к 2000 году. Тем не менее экономический и политический спад в Советском Союзе, который завершился всем нам известно чем в 1991 году (после чего Дмитрий Азрикан покинул Россию и переехал в Канаду) положил конец и проекту. СФИНКС так и остался лишь на стадии прототипа и сегодня является безмолвным свидетелем эпохи противоречий и трагедий, памятником разрушений больших ожиданий и проницательных идей.




Клавиатура SPHINX и портативный пульт дистанционного управления, демонстрирующий цветовую палитру и геометрический дизайн системы

Производству новых изделий новая концепция: вещь-услуга, а не вещь-товар. Дизайнеры нового поколения стремились продемонстрировать проекты, в которых не было бы ничего подражательного. Главной целью дизайна разработки стал новый потребительский эффект.

Одним из продуктов нового веяния стал комплект личной радиоэлектронной аппаратуры на оптических диодах. Представлял собой информационно развлекательный комплекс, состоял из проигрывателя оптических дисков (панель управления мог исполнять функции калькулятора) и радионаушников, воспроизводил видео- и аудиопрограммы, позволял заниматься вычислениями и видеоиграми, обеспечивал радиоприем. Комплект мог быть исполнен в классическом, игровом и авангардном стилях. Автором ноу-хау была И. Е. Любкина.





Что ж футуристическая идея коснулась и проектов по разработке транспортных средств. Вот такой прототип был представлен выпускницей А. Т. Осеевой трансформируемая кабина для использования в системе монорельсового городского транспорта.





Такая кабина устанавливалась бы на монорельс с помощью магнитного подвеса в виде малогабаритного электромобиля индивидуального пользования со свободным передвижением. Как индивидуальное транспортное средство могло бы передвигаться и посредством мускульных усилий человека. Кабина проектировалась одно- или двухместной.

К слову тема монорельса была актуальна в СССР еще начиная с 50 годов. Инженеров манил их футуристический шарм:"..1957 году разрабатывается проект пассажирского монорельса в Казахстане, между городом Темиртау и Карагандинским металлургическим комбинатом. Тремя годами позднее создан проект монорельса от центра Москвы до аэропорта во Внуково; в 1961 году проектируется подвесной монорельс для города Миасс. Фантазия инженеров не останавливалась. В 1961 году инженер Иванова предложила монорельсовую дорогу, роль опор в которой играли бы высотные здания, стоящие на расстоянии 700-1000 метров друг от друга. Вагоны курсировали бы между ними по вантовым балкам. В целом в 1960-х годах монорельс собирались строить в 19 советских городах".

Разработке чего-то такого эдакого детишкам дизайнеры тоже уделили внимание. Ниже на фото радиожилет.



Такой дизайн детской игрушки, оснащенной радиоприемником и радиопередатчиком, позволял бы ребенку играть в космонавта, путешественника, спортсмена и т.д.

Типологическое проектирование на примере бытовых магнитофонов


Что ж одной из проблем советского продукта производства было сплошное однообразие. Решить это и выйти за пределы однотипности стало задачей типологического проектирования. При таком подходе при проектировании дизайна учитывались стиль жизни и эстетические предпочтения потребителя. На фото ниже ассортиментный ряд типологических образцов бытовых магнитофонов 1987 года.



Для ценителей классики был разработан свой типологический образец. В основе дизайна стабильность, комфорт, респектабельность. В эту стилевую группу классика вошли: дека с радиоканалом и активными акустическими системами Премьера. Материалом всех поверхностей была выбрана дымчатая пластмасса, через которую мерцает индикация. В комплекте автоматическая система замены кассет по заранее заданной программе или сигналом с пульта.



Был разработан дизайн магнитофонов для лабораторной и приборной стилевых групп. Таким коллекциям характерны сложные панели, космическая индикация, блочность, дисплеи. Материалами выбран метал, цвет серебристый.

Из приборной серии комплекс Структура. Идеальное решение для семьи с двумя подростками: в комплексе планировалось два съемных плеера.



Группу походного стиля можно охарактеризовать такими словами как прочно, надежно, удобно. Цветовая гамма сафари, хаки. Магнитофоны не для развлечений. Среди них Репортер-1 и Репортер-2, Сайгак, Тимур (мог носиться на ремне с чехлом для кассет).



Молодежная стилевая группа наделена нотками авангарда, эксцентричности, оригинальности. Она включает аппараты Алиса (магнитофон для девочек), Регби, Майя, Фобос-2000,


Алиса, Регби


Носимая магнитола Фобос-200

Создание такого рода коллекций бытовой техники на то время в СССР являлись своего рода экспериментом. Не всегда удачным или осуществимым.

Проекты радиоприемников, так и не нашедшие своего производителя-заказчика


В 1989 году в СССР выпускались приемники, которые могли транслировать три монофонических радиоканала. Но уже имелись разработки, которые позволяли использовать для передачи радиосигнала существующие телефонные линии и транслировать по ним 6 радиовещательных программ без ущерба для качества телефонных переговоров. Цель разработки превратить привычно примитивный радиоприемник в высококачественный блочный стереокомплекс, Он совмещал бы в себе радиоприемник, телефон, автоответчик, акустику. Такие приемники могли бы стоять, висеть, лежать, разбираться на составляющие.


Стереофонический шестипрограммный кабельный приемник и вариант приемника с модульной панелью управления







А это эскизный вариант приемника с телефонной приставкой:



Проект подразумевал выполнение приемника в двух вариантах. В первом, благодаря модульному построению передней панели можно было доукомплектовывать ее органами управления в зависимости от пожеланий потребителя. Во втором варианте был использован метод разрастания изделия в трехмерном пространстве: отсутствовала передняя панель как таковая, она представляла собой несколько плоскостей с отдельной функциональной нагрузкой, так образовывались зоны управления звуком, программами, режимами часов.

В итоге такое стилевое разнообразие не заинтересовало заказчика и макеты приемников так и остались в поиске своего производителя.

Что ж, быть в курсе многих инновационных идей и проектов было сложно по обе стороны железного занавеса. Тем не менее некоторые из этих задумок, так никогда и не ставшие настоящими продуктами по причине распада Советского Союза в начале 1990-х годов являются молчаливыми свидетелями изобретательности и творческого подхода в деле разработки. В любом случае черпнуть что-то интересное из них можно и в наши дни. К слову, в каждом выпуске журнала Техническая Эстетика была представлена рубрика Новинки зарубежного производства, и чтобы понять как выглядело 20 лет отставания в советском дизайне достаточно просмотреть эту рубрику): в том же 1988 году в Японии уже была разработана экспериментальная действующая модель автомобиля HRS фирмы Mitsubishi Motors, развивающая скорость до 300 км/час. В концепции автомобиля были применены системы передовой технологии: электронно контролируемая подвеска, полный привод, рулевое управление всех колес, антиблокировочная тормозная система на каждом колесе, плюс ко всему эффектный внешний вид и выдающиеся аэродинамические показатели.





Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Категории

Последние комментарии

© 2006-2021, personeltest.ru