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费米太空望远镜为巨大耀斑提供了最好的观测

邻近星系中明亮的磁星爆发可能有助于银河系的搜索

强烈的闪光从喷发中子星附近星系在2020年4月给了天文学家第一次清楚的看一种伽马射线称为磁星巨型耀斑和引力波可以为天文学家观察从未来的巨型耀斑在我们的星系。

包括nasa 6037s Fermi伽玛射线太空望远镜在内的众多太空仪器,测量到了4月15日横扫太阳系的一束短暂高频光。这些伽玛射线被多个科学家团队分析,他们今天在《自然》和《自然天文学》杂志上报告了他们的发现,即将在《天体物理学杂志通讯》上发表。

“Giant耀斑开始一场激烈的持续十分之一秒的flash,短暂的瞬间,它们释放的能量在伽马射线的能量大约是10万亿到100万亿倍太阳的可见光,”天体物理学家马修霸菱说,莱斯大学物理学和天文学教授和自然的共同通讯作者,研究。

Matthew Baring

马修·巴林(图片来源:亨利·巴林,洛维特2020级)

伽马射线是光的最高能量形式,费米和类似的卫星几乎每天都能探测到伽马射线爆发。但是伽马射线爆发有不同的形式。大多数都是由恒星爆炸或双中子星在距离地球数百万或数十亿光年的地方合并造成的。巨大的耀斑是非常罕见的事件,是由被称为磁星的特殊中子星上的磁爆发造成的。由这些火山喷发释放的能量是数百万次不到释放的能量在经典伽马暴从垂死恒星,但在这三个以前记录的巨型耀斑在银河系和附近的星系,最初的闪光是如此强烈,它暂时部分残疾人科学仪器。

当巨大耀斑靠近时,它们最初爆发的辐射会使仪器饱和,基本上会使它们失明,所以它们无法轻易测量光谱,”霸凌解释道。无论是1979年的早期任务,还是1998年和2004年更为复杂的任务,这都是一个障碍

1979年的耀斑来自大麦哲伦星云,这是一个距离银河系约16万光年的较小星系。1998年和2004年测量到的耀斑距离地球更近,来自我们银河系中的两颗磁星。

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艺术家对磁星喷发的印象。(图片由nasa 6037s戈达德太空飞行中心提供)

” Baring说,2020年的事件与雕刻家星系NGC 253有关,它比1979年的事件要远50-60倍。“虽然它本身很亮,但它足够远,我们的仪器,费米伽马射线爆发监测器,可以很好地观察到,我们从未有过的第一次巨大耀斑的初始闪光

主持这项《自然》研究的解释和建模工作的Baring说,光谱数据揭示了有关引起耀斑的磁喷发的大量信息。

” Baring说,这一事件有大量能量约为100万电子伏特的高频光子,能量远高于通常从磁星表面发射的2000电子伏特的持久x光。我们认为这是一个非常明显的巨大耀斑的特征

最高能量的光,大约300万电子伏的“告诉我们,等离子体一定是在相对论性地移动,并在一个扩大的区域内发射,其尺度可能是中子星半径的100倍,他说。唯一容易做到这一点的方法就是辐射等离子体在恒星磁极以上

中子星的直径只有几英里,它包含了一颗坍缩恒星的全部质量,由于重力的作用,中子星被压缩得非常紧密,主要由中子组成,其密度与单个原子的原子核密度相当。因为中子星自转很快,而它们所有的磁活性质子和电子都在外层几厘米的地壳中,所以它们会产生强烈的磁场。磁星具有宇宙中最强烈的磁场——大约是地球6037的十万亿亿倍——而且像所有拥有磁场的天体一样,它们的磁极是在磁力线上升并远离恒星的地方。

想象这颗恒星是一个条形磁铁,’s倾斜并旋转,” Baring说。旋转的杆子就像灯塔上旋转的信标。如果你在船上,灯塔是周期性的明亮的闪光,这就是我们所认为的。磁星就像一个短暂的相对论灯塔,当‘one-off’耀斑从两极发出时,我们只能短暂地看到它,然后it’s就瞬间消失了

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艺术家对磁星的印象。(图片由nasa 6037s戈达德太空飞行中心提供/克里斯·史密斯- usra)

4月15日大耀斑的光谱数据将使物理学家能够测试此前’t已被证实的磁星理论模型,并可能导致对不仅是磁星,而且强磁场影响量子力学基本方面的方式的更全面的理解。

“我们有可能从与不同的磁场方向、不同的光子能量和不同的粒子能量有关的全球混乱中解开物理元素的纠缠,然后说,‘‘Aha,我们有了新发现,’”” Baring推测。

例如,我们所学的知识可能会对我们如何在宇宙早期传播量子场论,如何使其适应宇宙最初几秒的条件产生影响

他指出,group’s的主要目标之一是开发精确测量巨大耀斑总能量输出的模型。

他说:“如果我们测量能量,我们就能大致知道磁场穿透到恒星地壳的深度,因为我们大概知道它的强度。”“我们知道这些恒星并不完全是球形的。它们的旋转和磁场使它们略有扭曲。伴随巨大耀斑的磁场变化应该会突然改变这种恒星扭曲,因此磁星巨大耀斑可能会伴随强大的引力波发射;有了我们模型提供的信息,我们认为先进的LIGO引力波探测器将能够测量它们。

” Baring表示,“We’ve自2004年以来就没有出现过星系巨型耀斑,we’re早该出现了。“When下一个时,理想情况下我们会有先进的LIGO和处女座,it’s意大利等效,寻找引力波,可用,我们将这些文件上使用的x射线和伽马射线天文台获得一个非常,非常好的看,推进我们的理解on.”

额外的自然研究的合作者包括奥利弗·罗伯茨大学空间研究协会的迈克尔·布里格斯彼得·维尔斯瓦米·巴特和瑞秋的汉堡在亨茨维尔阿拉巴马大学,Chryssa Kouveliotou,乔治·尤尼斯,萨拉查斯坦茵饰和乔治华盛顿大学的Alexander van der霍斯特,宾夕法尼亚州立大学的詹姆斯·德劳内和杰米Kennea Daniela Huppenkothen阿姆斯特丹大学的,亚伦Tohuvavohu多伦多大学的,大学的伊丽莎白Bissaldi巴里,Ersinğuş萨班吉大学的丹尼尔Kocevski NASA’s戈达德太空飞行中心,贾斯汀Linford国家射电天文台Sylvain Guiriec乔治华盛顿大学和NASA’s戈达德太空飞行中心,NASA’s马歇尔太空飞行中心的科琳·威尔森-霍奇和路易斯安那州立大学的埃里克·伯恩斯。

这项研究得到了美国宇航局的支持。

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闪烁的塑料灰完成回收

Rice lab将热解灰转化为石墨烯,用于改善混凝土和其他化合物

热解塑料灰是毫无价值的,但可能不会持续太久。

莱斯大学的科学家们已经把注意力转向了材料的焦耳加热,这是塑料回收过程的副产品。一股强烈的能量冲击使它进入石墨烯。

该技术由莱斯大学实验室化学家詹姆斯·图尔(James Tour)开发,可直接添加到聚乙烯醇(PVA)薄膜等其他物质中,使其在包装和水泥糊状物和混凝土中具有更好的抗水性,显著提高其抗压强度。

这项研究发表在《碳》杂志上。

Rice University chemists turned otherwise-worthless pyrolyzed ash from plastic recycling into graphene through a Joule heating process. The graphene could be used to strengthen concrete and toughen plastics used in medicine, energy and packaging applications. (Credit: Tour Group/Rice University)

莱斯大学(Rice University)的化学家们通过焦耳加热过程,将原本毫无价值的塑料回收的热解灰转化为石墨烯。石墨烯可用于增强混凝土和增韧塑料,用于医药、能源和包装应用。由旅行团提供

就像该实验室2019年推出的闪蒸石墨烯工艺一样,热解灰可以转化为涡轮地层石墨烯。这使得薄片之间的吸引力减弱,使它们更容易混合成溶液。

去年10月,巡回实验室报告了一个将废塑料转化为石墨烯的过程。新工艺更加具体,将无法回收的塑料变成有用的产品。

“这项工作提高了塑料的循环经济,”图尔说。“如此多的塑料垃圾会通过高温分解将其转化为单体和油。这些单体可用于重新聚合以制造新塑料,而油类可用于各种其他用途。但总有剩下的10%到20%的灰是毫无价值的,通常被送到垃圾填埋场。

他说:“现在我们可以将火山灰转化为闪光石墨烯,用于增强其他塑料和建筑材料的强度。”

热解包括加热材料使其分解而不燃烧它。热解回收塑料的产品包括能源丰富的气体、燃料油、蜡、石脑油和可用于生产新塑料的原始单体。

但其余的
2在美国估计每年有5万吨
2被丢弃。

莱斯大学的研究生Kevin Wyss是这项研究的主要作者,他说:“由于油价低廉,回收商没有获得巨额利润,所以只有大约15%的塑料被回收。”“我想解决这两个问题。”

研究人员进行了两项实验来测试闪灰,首先将产生的石墨烯与PVA混合,PVA是一种生物相容性聚合物,正在研究用于医疗应用、燃料电池聚合物电解质膜和环境友好型包装。基材的机械性能差,易受水的影响,阻碍了它的发展。

Kevin Wyss

凯文Wyss

他们报告称,只要加入0.1%的石墨烯,PVA复合材料在失效前的应变量就可增加高达30%。它也显著提高了材料的抗水渗透性。

在第二项实验中,他们观察到,在硅酸盐水泥和混凝土中加入石墨烯后,抗压强度显著提高。更强的混凝土意味着更少的混凝土需要用于结构和道路。这减少了能源的使用,减少了生产过程中的污染物。

这项研究的共同作者是莱斯大学的研究生Jacob Beckham、Weiyin Chen和Prabhas Hundi,以及博士后研究员Duy Xuan Luong,以及C-Crete Technologies的Shivaranjan Raghuraman和Rouzbeh Shahsavari。

国家科学基金会、空军科学研究办公室和能源部支持这项研究。

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党派政治延长流行病

儿童健康政策项目(Child health Policy program)研究分析师克里斯托弗·库列萨(Christopher Kulesza)和莱斯大学(at Rice University)贝克公共政策研究所(Baker Institute for public Policy)儿童健康政策研究员昆塔·摩尔(quanta Moore)表示,两党偏见削弱了公众对卫生机构的信任,加剧了COVID-19的传播。

作者在贝克研究所的博客上写道:“在疫情开始10个月后,党派分歧仍然严重制约着美国对COVID-19的应对。”“正如我们在去年7月的文章中讨论的那样,有迹象表明,州长和联邦当局认识到了保持社交距离和佩戴口罩的积极影响。然而,我们目睹了大多数民主党和共和党官员在政策上的进一步巩固。这种政治分歧对健康的影响已经超出了许多专家最坏的预测。”

Kulesza和Moore认为,政治分歧已经“超越了传统的政策分歧”,严重损害了公众对包括卫生机构在内的政府机构
2的信任。

他们写道:“相当一部分美国公众拒绝接受美国疾病控制与预防中心(CDC)提出的接种疫苗的健康建议。”“根据皮尤研究中心的研究,大约70%的民主党选民计划接种疫苗,相比之下,只有50%的共和党选民计划接种疫苗,这明显低于达到群体免疫所需的90%。”

作者认为,党派之争在各州疫苗分配中也很明显。没有联邦政府的指导,各州只能按照自己的
2计划分配,许多州正在设计背离CDC建议的程序。

”他们写道,目前的划分阻碍了几乎所有抗击病毒的有意义进展。“我们需要一个完善的计划,与政治动机分开,以确保疫苗得到有效分发,企业不会受到进一步伤害。”

信用:123 rf.com/rice大学。

作者认为,随着“大流行疲劳症”使封锁越来越不受欢迎,当选总统乔·拜登被迫拒绝未来全国范围内关闭企业的想法。

美国疾病控制与预防中心表示,在戒严之外,戴口罩是抵御COVID-19的最佳手段。由于共和党人不太可能在公共场合戴口罩,而且许多共和党控制的州议会也不强制佩戴口罩,党派之争正在加剧。

作者写道:“在疫苗可以更好地分发之前,政策制定者可能需要制定合法但不受欢迎的措施,以减少目前不可控制的COVID-19病例增长。”“然而,在选民要求政客为他们不可接受的行为负责之前,他们不会有动力这么做。”

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Journal庆祝SAFT 30岁

由Walter Chapman和他的同事开发的模型预测了液体溶液的行为

作者:Patrick Kurp
Rice News特别报道

一份重要的国际期刊正在庆祝沃尔特·查普曼(Walter Chapman)共同创造的有影响力的模型诞生30周年。沃尔特·查普曼是赖斯大学化学和生物分子工程的威廉·w·埃克斯(William W. Akers)讲座教授。

美国化学学会出版的《化学与工程数据杂志》(Journal of Chemical and Engineering Data)发表了一篇关于SAFT(统计关联流体理论)的文章,SAFT是一个计算模型家族,是学术界研究人员关注的焦点,在工业上有广泛的应用。

Walter Chapman

沃尔特•查普曼

”的副主编Gabriele Sadowski在介绍这一问题的社论中写道,与当时存在的其他模型相比,SAFT专门解释了分子间氢键的形成,并给该理论起了个名字:统计关联流体理论。“The SAFT模型开辟了一个全新的应用领域。”

SAFT是由查普曼和他的三位同事开发的,并在1988年、1989年和1990年发表了一系列被高度引用的文章。查普曼在他1988年的博士论文和相关论文中首次描述了SAFT,那一年他在康奈尔大学获得了化学工程博士学位。他的论文指导老师是基思·格宾斯(Keith Gubbins),他现在是北卡罗莱纳州立大学W.H.克拉克杰出大学化学和生物分子工程教授,也是他的合著者之一。

其他两位分别是伦敦帝国理工学院化学工程系化学物理教授乔治·杰克逊和怀俄明大学化学与石油工程教授马西耶·拉多兹。

最初的SAFT理论及其扩展,许多由查普曼的团队领导,允许研究人员对溶剂、聚合物和表面活性剂的液体溶液的行为做出精确的预测。根据聚合物链中单体间的分子力,研究人员可以预测它们的宏观性能——这在塑料工业中是一项特别重要的能力。

在油气领域,SAFT能够最准确地预测原油体系在高温高压下的性质,并能够预测沥青质的复杂行为。沥青质沉积会造成严重的生产问题。它的准确预测对连续生产至关重要。

SAFT使化学过程的分子设计能够最大化效率,同时最小化对环境的影响。与材料设计相关的其他应用领域的研究还在继续,包括药物传递系统、胶束的表征、脂质双分子层和超支化聚合物,以及预测斑片状胶体的自组装。

Chapman的研究小组还采用了SAFT理论来预测纳米级化学传感器和材料所需的界面性质和分子结构。他随后的研究重点是复杂流体的性能和界面结构,如塑料、油漆、涂料和薄膜。他还研究了天然气水合物和沥青质等系统的性质,这些系统对石油和天然气行业很有兴趣。

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2D化合物显示出独特的通用性

水稻提出的多功能纳米材料可以增强太阳能,量子计算

一种非典型的二维三明治有美味的部分在外面,为科学家和工程师开发多功能纳米设备。

一个原子薄的半导体锑层与铁电硒化铟配对将显示出独特的特性,这取决于外电场的侧面和极化。

该场可用于稳定硒化铟的极化,这是一种长期寻求的特性,往往会被钙钛矿等材料的内部场破坏,但在太阳能应用方面将非常有用。

计算水稻材料理论家鲍里斯Yakobson和研究员张《第一作者研究生东阳市朱显示切换材料的极化与外部电场使它一个简单的绝缘子,带隙适合可见光吸收或拓扑绝缘体材料,只有沿着其表面传导电子。

Rice University materials theorists show how a unique two-dimensional compound of antimony and indium selenide can have distinct properties on each side, depending on polarization by an external electric field, with possible applications in solar energy and quantum computing. The figure indicates that two states for nonvolatile memory devices can be flipped by the polarization of the ferroelectric layer. (Credit: Illustration by Jun-Jie Zhang/Rice University)

莱斯大学的材料理论家展示了一种独特的二维锑和硒化铟的化合物是如何根据外部电场的极化,在每一侧都有不同的属性的。从图中可以看出,非易失性存储器件的两种状态可以通过铁电层的极化而翻转。插图:张俊杰

将磁场向内转动将使这种材料适合制作太阳能电池板。将其向外转动,将使其成为用于量子计算的自旋电子设备。

该实验室的研究发表在美国化学学会期刊《纳米快报》上。

Yakobson说:“能够随意切换材料的电子带结构是一个非常有吸引力的旋钮。”“铁电状态和拓扑顺序之间的强耦合可以帮助:施加的电压通过铁电极化来切换拓扑,铁电极化作为一种中介。这为设备工程和控制提供了一个新的范例。”

由于受到范德华力的弱约束,当暴露在电场中时,这些层会改变它们的物理结构。张说,这改变了化合物的带隙,这种改变不是微不足道的。

Jun-Jie Zhang

《张

“中心硒原子随着铁电极化的改变而改变,”他说。在最近的实验中已经观察到硒化铟中的这种转换

与其他由实验人员提出并最终制成的结构不同,
2硼巴基球是一个很好的例子。

张说:“与典型的大块固体相反,沿着低表面能平面的范德瓦尔斯晶体容易剥落,这实际上允许它们重新组装成异质双分子层,开启了我们在这里发现的新可能性。”

Yakobson是材料科学和纳米工程的Karl F. Hasselmann教授,也是赖斯大学的化学教授。

陆军研究办公室、海军研究办公室和罗伯特·韦尔奇基金会支持了这项研究。

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赖斯“闪现”了新的2D素材

亚稳态金属纳米粒子可以在电子和光学领域得到应用

莱斯大学的科学家们已经将他们的技术扩展到瞬间生产石墨烯,以调整其他2D材料的性能。

化学家James Tour和材料理论家Boris Yakobson的实验室在美国化学学会的ACS Nano上报告说,他们成功地“闪过”了大量的2D二卤代烷,将它们从半导体变成了金属。

这种材料在电子、催化和润滑剂等方面都很有价值。

Rice University scientists extended their technique to produce graphene in a flash to tailor the properties of 2D dichalcogenides molybdenum disulfide and tungsten disulfide, quickly turning them into metastable metallics for electronic and optical applications. (Credit: Tour Group/Rice University)

莱斯大学的科学家将他们的技术扩展到瞬间生产石墨烯,以调整二维二卤代化合物二硫化钼和二硫化钨的性质,迅速将它们转化为电子和光学应用的亚稳态金属。由旅行团提供

该过程使用闪光焦耳加热
2使用一个电荷戏剧性地提高材料的温度
2转换二硫化钼和二硫化钨半导体。脉冲的持续时间和选择的添加剂也可以控制现金属产品的性能。

图尔说:“这种快速的过程使我们能够大规模生产一种全新的高价值材料,而不需要使用溶剂或水。”

从上面看,二维二卤代烷看起来像六边形石墨烯,但从另一个角度看,则显示出一个三明治状结构。例如,在二硫化钼中,一个钼原子的单一平面位于硫的相似但相互抵消的平面之间。

研究人员称,在金属相(被称为1T)中制造每一种材料之前需要更复杂的过程。即使这样,产物在环境条件下也不稳定。闪光焦耳加热似乎解决了这个问题,在千分之一秒内产生亚稳定的二卤代烷。

An electron microscope image shows tungsten disulfide in its metastable 1T state. The orange dots represent sulfur atoms, the blue represent tungsten. Rice University scientists used flash Joule heating to tailor the properties of 2D dichalcogenides, quickly turning them into metastable metallics for electronic and optical applications. (Credit: Tour Group/Rice University)

电子显微镜图像显示二硫化钨处于亚稳态1T状态。橙色的点代表硫原子,蓝色的点代表钨原子。由旅行团提供

粉状的、商品化的二卤代化合物与炭黑或钨粉混合以增加其导电性,被放置在一个覆有电极的陶瓷管中,用超过1350安培的功率在瞬间闪过,然后迅速冷却。当管子处于真空状态时,多余的气体被排出,剩下的大部分是纯金属。

根据Yakobson团队的计算,大的能量输入迫使结构缺陷出现在材料的晶格中,增加了负电荷,使1T相成为热力学上的优先相。

“这是Le Chatelier’s原理有趣的快进体现:在电压下,材料转变为更具导电性的1T阶段,以抵消/减少施加的电场,”合作者Ksenia Bets说,他是Yakobson小组的研究员。“我们详细的计算表明,动力学路径是间接的:升华的硫产生了一个富含空位的晶格,在能量上更倾向于1T结构。”

事实上,条件和添加剂会影响最终产品,这应该导致对可能的变化的系统研究,图尔说。

莱斯大学研究生陈伟银(音译)是这篇论文的主要作者。其他合著者有赖斯研究生王哲、Emily McHugh、Wala Algozeeb和陈金航;博士后研究人员luduy Xuan Luong, Bing Deng;任慕青、迈克尔·斯坦福;助理研究员郭华;研究人员高冠辉;本科生李天慈(John Tianci Li)和威廉·卡斯滕(William Carsten)。

图尔是T.T.和Chao W.F.化学讲座教授,同时也是计算机科学、材料科学和纳米工程教授。Yakobson是材料科学和纳米工程的Karl F. Hasselmann教授和化学教授。

美国空军科学研究办公室、能源部国家能源技术实验室和能源部基础能源科学部门支持了这项研究。

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一氧化碳被分解成有价值的化学物质

Rice工程师的反应堆可以直接将气体转化为醋酸

一种甜蜜的新工艺使酸味变得更实用。

赖斯大学的工程师们正在将一氧化碳直接转化为醋酸
2。醋酸是一种广泛使用的化学物质,它使醋具有“tang
2”的味道。

An electron microscope images shows copper nanocubes used by Rice University engineers to catalyze the transformation of carbon monoxide into acetic acid. (Credit: Wang Group/Senftle Group/Rice University)

一幅电子显微镜图像显示,赖斯大学的工程师们用铜纳米立方体催化一氧化碳转化为醋酸。由王集团/森富尔集团提供

化学和生物分子工程师实验室的电化学过程解决了之前试图将一氧化碳(CO)减少为醋酸的问题,莱斯布朗工程学院的王浩天和托马斯森弗特尔。这些过程需要额外的步骤来净化产品。

这种环境友好型反应器使用纳米级铜立方体作为主要催化剂,同时使用一种独特的固态电解质。

在连续150小时的实验室操作中,该装置产生了2%醋酸水溶液。酸性成分的纯度高达98%,远优于早期将CO催化成液体燃料的尝试。

Rice University engineers have developed a reactor to produce liquid acetic acid directly from carbon monoxide. The reactor uses a catalyst of copper nanocubes and a solid-state electrolyte. (Credit: Illustration by Peng Zhu/Rice University)

莱斯大学的工程师已经开发出一种反应器,可以直接用一氧化碳生产液态乙酸。该反应器使用铜纳米立方体和固态电解质作为催化剂。朱鹏插图

详情刊登在《美国国家科学院院刊》上。

与醋和其他食品一样,醋酸在医学上被用作防腐剂;作为油墨、油漆和涂料的溶剂;醋酸乙烯酯是普通白胶的前体。

水稻的生产过程建立在王氏实验室的反应器上,该反应器从二氧化碳(CO2)中生产甲酸。这项研究为王(最近被任命为帕卡德研究员)建立了一个重要的基金会,他赢得了美国国家科学基金会(NSF)的200万美元资助,继续探索将温室气体转化为液体燃料的方法。

“我们正在将产品从单碳化合物甲酸升级为双碳化合物,这更具挑战性,”王说。“人们传统上用液体电解质生产醋酸,但他们仍然存在性能低下以及产品与电解质分离的问题。”

森弗特尔补充说:“当然,醋酸通常不是由一氧化碳或二氧化碳合成的。”“这是关键所在:我们正在把我们想要减轻的废气转化为有用的产品。”

Haotian Wang

浩田王

Thomas Senftle

托马斯Senftle

在铜催化剂和固态电解质之间进行了仔细的耦合,后者是从甲酸反应器中转移过来的。“有时铜会通过两种不同的途径产生化学物质,”王说。“它可以将CO还原为乙酸和醇。我们设计的铜立方体由一个侧面主导,可以帮助碳-碳耦合,其边缘可以引导碳-碳耦合到乙酸而不是其他产品。”

Senftle和他的团队建立的计算模型帮助改进了立方体的形状。他说:“我们能够证明,立方体上有多种边缘,基本上是更多的波纹表面,这些边缘有助于破坏某些碳氧键,从而引导产品向一个方向或另一个方向移动。”“拥有更多的边缘位点有利于在正确的时间打破正确的键。”

森弗特尔说,这个项目很好地证明了理论和实验应该如何结合。他说:“从反应堆组件的整合到原子层面的机制,这是一个很好的工程实例。”“它符合分子纳米技术的主题,展示了我们如何将其扩展到现实世界的设备上。”

Peng Zhu

彭朱

Chun-Yen Liu

Chun-Yen刘

王说,开发可扩展系统的下一步是提高系统的稳定性,并进一步减少过程所需的能量。

赖斯研究生朱鹏、刘春彦、J. Evans atwell – welch博士后研究员夏川是该论文的共同首席作者。共同作者:水稻研究科学家高冠辉、博士后张晓、研究生夏阳;上海交通大学前Rice博士后研究员江坤;以及研究生雷永久和沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学材料科学与工程教授胡萨姆·阿尔沙里夫。Wang和Senftle是化学和生物分子工程的助理教授。

国家科学基金会和CIFAR阿兹列里全球学者计划支持这项研究。

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大米模型为新髋关节提供帮助

独特的研究纳入流体动力学和更多的评估,增强未来植入物

莱斯大学的工程师们希望通过模拟人造髋关节如何可能以错误的方式摩擦它们来改善那些有置换关节的人的生活。

布朗的计算研究工程学院实验室的机械工程师弗雷德希格斯粒子模拟和跟踪臀部如何演变,独特的结合流体动力学和联合表面粗糙度以及临床医生通常使用预测因素植入物会站起来在他们预期15年寿命。

该团队的近期目标是推进更坚固的假体的设计。最终,他们说这个模型可以帮助临床医生根据患者的性别、体重、年龄和步态变化来个性化髋关节。

Rice University engineers have designed a computational model that will ultimately serve as the engine to predict how long a hip implant could last for a specific patient. It incorporates fluid dynamics and the physics of implant wear and aims to streamline trial-and-error in the design of future implants. (Credit: Wikipedia)

莱斯大学的工程师们设计了一个计算模型,该模型最终将作为引擎,预测髋关节植入物对特定患者的持续时间。它结合了流体动力学和植入物磨损的物理原理,旨在简化未来植入物设计中的试错过程。资料来源:维基百科

希格斯和共同第一作者Nia Christian(莱斯大学的研究生),以及Gagan Srivastava(莱斯大学的机械工程讲师,现在是陶氏化学的一名研究科学家)在《生物摩擦学》上报告了他们的研究结果。

研究人员认为有必要超越早期机械研究和标准临床实践的局限性,即使用简单的步行作为基线来评估人工髋关节,而不合并高影响的活动。

“当我们与外科医生交谈时,他们告诉我们,他们的很多决定都是基于他们丰富的经验,”克里斯蒂安说。但有些人表示希望有更好的诊断工具来预测植入物的寿命。

她说:“15年听起来很长,但如果你需要给年轻和活跃的人植入人工髋关节,你希望它能持续更久,这样他们就不会多次手术。”

希格斯的颗粒流和摩擦学实验室受莱斯机械工程师和生物工程师B.J.弗雷格的邀请,合作他的工作,模拟人体运动,以改善神经和骨科损伤患者的生活。

“他想知道,我们能否预测他们的最佳候选髋关节能维持多久,”希格斯说。他是赖斯大学机械工程约翰和安·杜尔(John and Ann Doerr)教授,也是生物工程的联合教授,他父亲的膝关节置换手术在一定程度上启发了这项研究。“所以我们的模型使用的是真实患者的行走动作。”

物理模拟器需要运行数百万个周期来预测磨损和故障点,可能需要几个月才能得到结果。希格斯的模型试图通过分析真实的动作捕捉数据来加速和简化这一过程,就像弗雷格实验室所产生的数据,以及柏林自由大学(Free University of Berlin)的格奥尔格·伯格曼(Georg Bergmann)所研究的“仪器化”髋关节植入物的数据。

这项新研究融合了四种不同的物理模式
2接触力学、流体动力学、磨损和粒子动力学
2在髋关节运动中发挥作用。研究人员表示,此前没有研究同时考虑这四种因素。

其他人没有考虑到的一个问题是骨骼间润滑剂的组成变化。天然关节含有滑膜液,一种粘稠度类似蛋清的细胞外液体,由滑膜分泌,滑膜是排列关节的结缔组织。当髋关节被替换时,膜被保留并继续表达液体。

Fred Higgs

弗雷德希格斯

Nia Christian

Nia基督教

Gagan Srivastava

选手Gagan斯利瓦斯塔瓦

希格斯说:“在健康的天然关节中,液体会产生足够的压力,这样你就不会与关节接触,所以我们走路都不会感到疼痛。”“但是人工髋关节通常会发生部分接触,随着时间的推移,植入的关节会越来越磨损和恶化。”我们称之为摩擦混合润滑。”

这种摩擦会导致磨损碎片的增加,尤其是来自塑料材料
2的磨损碎片。
2是一种超高分子量聚乙烯,通常用于人工关节的臼杯(髋臼杯)。据估计,这些颗粒的大小可达5微米,与滑膜液混合后,有时会逃离关节。

“最终,它们会使植入物松动或导致周围组织破坏,”克里斯蒂安说。它们经常被带到身体的其他部位,导致骨溶解。关于它们最终会在哪里结束有很多争论,但你想避免它们刺激你身体的其他部位。”

她指出,使用金属插座而不是塑料插座是一个有趣的话题。克里斯蒂安说:“由于金属耐用,金属对金属髋关节受到了强烈的推动。”“但其中一些会导致金属屑脱落。随着时间的推移,它们的危害似乎比聚乙烯颗粒更大。”

这项新研究的进一步灵感来自于希格斯及其同事之前的两项与生物工程无关的研究。第一次研究的是用于集成电路制造的半导体晶片的化学机械抛光。第二种将他们的预测模型从微观尺度推向了全晶圆尺度的界面。

研究人员指出,该模型的未来迭代将纳入更多用于关节置换的新型材料。

菲利普·多德和玛莎·多德以及德州癌症预防和研究所(CPRIT)支持了这项研究。希格斯还是莱斯大学负责学术事务的副教务长和莱斯工程领导中心的教员主任。

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人,论文和报告

生物工程师安东尼奥·米科斯(Antonios Mikos)在他60岁生日时获得了《组织工程a部分》特刊的荣誉。该期刊的12月号包括Mikos的介绍,以及水稻计算机科学家Lydia Kavraki和Mikos关于组织工程支架的机器学习引导3D打印的论文。

美国宇航局在12月邀请布朗工程学院的校友参加2020年月球到火星探索系统和居住(X-Hab)学术创新挑战的太空制造项目。团队长寿和打印机(机械工程校友Colin Nyhus维多利亚乔希,奥利弗·洛佩兹和Paraksh Vankawala)和空间(机械工程校友唱屁股李和尼古拉斯·Terrazas和生物工程校友乍得Fisher)开发存储库的3 d shapefile打印医疗用品或维修所需的配件在深太空空间站或。他们的顶石项目开发在奥什曼工程设计厨房和特色大米新闻。

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李布伦校长概述了春季学期的最新计划

校长David Leebron在1月8日的邮件中向大学社区发送了以下关于Rice’s春季学期计划的邮件:

President David Leebron

大卫Leebron

今天我写信是为了提供关于我们春季学期开始的决定和计划的最新信息。我们的首要任务一直是确保我们社区的安全。我们一直强调,我们将适应环境的变化。鉴于全国以及休斯顿及其周边地区COVID-19疫情的不幸恶化,这封信表达了我们在计划上的一些重大变化。

休斯敦的COVID-19病例数量前所未有的高。从12月初开始,我们看到阳性病例和住院人数急剧上升,假期期间还在加速上升。在德克萨斯医疗中心(Texas Medical Center)的医院,上周的检出率上升到了15.2%,而在哈里斯县(Harris County),最近的检出率飙升到了20%以上。自感恩节前以来,每天因COVID-19而住院的人数增加了一倍多。关于休斯顿环境的一个很好的信息来源可以在德克萨斯医学中心网站上找到。

莱斯大学,大约25%的阳性病例自从我们五个月前开始校园检测就发生在最后两周。这种增长是在几乎没有校园活动的情况下发生的。所有的感染都可以追溯到寒假期间的校外活动。您可以在我们的COVID-19仪表盘上看到莱斯的所有测试信息。

正如之前宣布的,我们将于1月25日开学,比平时晚了两周。鉴于下个月不太可能大幅改善大流行的情况,我们正在作出一些重要的调整,以反映到2月中旬的当前和预期环境。

幸运的是,我们有很多方法来降低校园风险,同时还能完成我们的教育和研究任务。以下是我们对之前沟通过的计划所做的改变,反映了我们到2月中旬的运营计划:

  • 说明:本学期一开始,所有课程都是在线授课,预计将持续到2月中旬。在特殊情况下,院长可能会给予少数有限的例外。我已经请学术重新启动委员会提出建议,教务长将于下周给出进一步的指导。
  • 研究:我们将在1月15日进入研究的第二阶段,这是我们去年夏天的姿势。这使得重要的校园研究得以继续,但需要额外的安全措施。负责研究的副教务长将很快在另一份通讯中提供有关这些措施的更多细节。
  • 本科生:我们将把大部分学生的返校时间推迟到2月15日,但已经在校的学生或根据自己的情况和需要寻求本科生教务长的例外情况除外。今天晚些时候,院长会给所有本科生发邮件告诉他们如何在2月15日前申请入学。所有的申请必须在1月11日星期一中午之前提交。我们将调整计划住在学校的学生的食宿费用和经济援助计划,更多的信息将在下周公布。
  • 研究生:奖学金应尽量在家里办。攻读研究学位的研究生可以按照研究阶段2的活动水平来校园。
  • 教职员:我们希望在2月8日前只邀请重要的教职员来学校。你应该和你的直接上司讨论你的工作计划。
  • 聚会:不允许五人以上的集体活动进入室内。户外集会最多允许10人,前提是所有人都戴着口罩,并保持至少6英尺的距离。随着环境的改善,我们希望放宽这些限制。

我以一个乐观的调子结束。莱斯已经向德克萨斯州申请了足够剂量的疫苗,以接种我们社区的每一位学生、教职员工和工作人员。我们还没有得到官方的消息,什么时候我们会收到疫苗,但我们希望它们会在2月份的某个时候到达。危机处理小组会随时通知你。

再次感谢我们的教职员工,他们在过去10个月里出色的工作,使我们能够在这些困难的情况下继续完成我们的使命。隧道的尽头有光明,但在把这段时间抛在身后之前,我们还有一段距离要走。

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