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L’imagerie à résolution micrométrique élargit la portée de la recherche biologique et biomédicale

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L’imagerie à résolution micrométrique élargit la portée de la recherche biologique et biomédicale

Les chercheurs ont créé un système d’imagerie à rayons X capable de capturer des images complexes d’organismes vivants tout en utilisant une dose de rayons X bien inférieure à ce qui était possible auparavant. Les petits objets ou autres matériaux sensibles peuvent désormais être examinés à haute résolution sur des périodes beaucoup plus longues, révélant potentiellement de nouvelles informations sur une gamme de processus dynamiques.

Une nouvelle technique d’imagerie aux rayons X peut produire des images détaillées d’organismes vivants avec une dose de rayons X bien inférieure à ce qui était possible auparavant. Les chercheurs ont utilisé cette nouvelle technique pour filmer pendant plus de 30 minutes de minuscules guêpes parasites émergeant des œufs de leur hôte. Crédit image : Rebecca Spiker, Institut de technologie de Karlsruhe

La méthode est basée sur l’imagerie par contraste de phase, qui dépend non seulement de l’absorption des rayons X dans le matériau mais également des propriétés de l’onde des rayons X. Il génère des images à partir des transitions de phase résultant du passage des rayons X à travers l’échantillon.

Auparavant, l’imagerie par contraste de phase aux rayons X à résolution micrométrique d’organismes vivants n’était possible que pendant quelques secondes à quelques minutes en raison de graves dommages causés par les radiations. Nous avons réduit la dose de rayons X nécessaire en surmontant les limites actuelles de l’imagerie haute résolution pour les applications sensibles à la dose.

Rebecca Spieker, doctorante, Institut de technologie de Karlsruhe

Les chercheurs décrivent comment ils ont créé un nouveau système d’imagerie à rayons X qui utilise des détecteurs de comptage de photons uniques et des optiques à rayons X spécialisées à haut rendement pour augmenter l’efficacité de la dose pour l’imagerie plein champ avec une résolution micrométrique en… optiquela revue de recherche à fort impact qu’elle publie Groupe d’édition Optica. Pendant plus d’une demi-heure, ils ont observé de minuscules guêpes parasites émerger des œufs de leur hôte, démontrant ainsi les avantages de cette nouvelle approche.

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Spiker a ajouté :Nous démontrons que notre méthode présente des performances d’imagerie supérieures à celles d’un détecteur haute résolution conventionnel. Cela peut être utile, par exemple, pour capturer des détails sur le développement et le comportement de petits organismes modèles, tels que les embryons de grenouille Xenopus, sur une période plus longue que ce qui est actuellement possible.« 

De meilleures images avec moins de rayonnement

Les structures et processus cachés dans les organismes vivants peuvent être révélés par l’imagerie aux rayons X. Cependant, cela expose les organismes à des rayonnements toxiques à des niveaux élevés, ce qui limite la durée pendant laquelle les observations peuvent être effectuées avant que des dommages ne surviennent.

Ceci est exacerbé par le fait que l’efficacité de détection des détecteurs haute résolution fréquemment utilisés diminue à mesure que la résolution augmente, ce qui nécessite de plus grandes doses de rayons X pour obtenir une image haute résolution.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont mis au point une méthode d’imagerie à contraste de phase qui agrandit instantanément une image radiographique au lieu de la convertir en une image en lumière visible puis de l’agrandir, comme c’est la méthode standard. Ils peuvent utiliser des détecteurs à large bande très efficaces tout en conservant une résolution spatiale micrométrique.

Les chercheurs ont utilisé un détecteur d’imagerie à photon unique avec une taille de pixel de 55 microns dans le nouveau système d’imagerie. Un dispositif d’optique à cristal, une loupe de Bragg, est utilisé pour agrandir l’image radiologique derrière l’échantillon. Pour le grossissement, cette dernière est constituée de deux cristaux de silicium impeccables.

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« Pour obtenir l’efficacité de dose la plus élevée possible pour l’imagerie à rayons X plein champ avec une résolution micrométrique, nous avons combiné un contraste de phase à rayons X, un amplificateur de Bragg et un détecteur de comptage de photons uniques, tous optimisés pour une énergie de rayon X optimale de 30 keV. . Le concept des amplificateurs de Bragg remonte à la fin des années 1970 et, bien que leur capacité à augmenter l’efficacité de la dose ait été notée, elle n’a pas été explorée jusqu’à présent.» a déclaré Spiker.

Les chercheurs ont comparé les performances de leur nouveau système à un système de détection classique à haute résolution utilisant le même matériau, le même flux de rayons X et l’énergie des rayons X de 30 keV après avoir démontré qu’il pouvait atteindre une efficacité de dose de plus de 90 % pendant son utilisation. livraison. Précision jusqu’à 1,3 microns.

« À cette énergie, nous montrons que l’efficacité quantique de détection de notre système dépasse celle du système conventionnel de plus de deux ordres de grandeur pour les composantes haute résolution de l’image. À cette énergie, nous montrons que l’efficacité quantique de détection de notre système dépasse celle du système conventionnel de plus de deux ordres de grandeur pour les composantes haute résolution de l’image. Cela se traduit par de meilleures images et permet une réduction significative de la dose de rayons X reçue par l’échantillon.Spiker a également ajouté.

Photographie de petits insectes

Cette technologie a ensuite été utilisée pour mener une étude comportementale préliminaire sur des guêpes parasites vivantes couramment utilisées en lutte biologique. En raison de l’absence d’exposition aux radiations, les scientifiques ont pu obtenir des images des minuscules guêpes à l’intérieur de leurs œufs hôtes pendant 30 minutes avant leur apparition.

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Selon les chercheurs, cette approche pourrait également bénéficier aux applications biomédicales, telles que l’évaluation micro-CT du matériel de biopsie. D’autre part, l’utilisation d’une loupe de Bragg nécessite un faisceau collimaté monochromatique, cohérent, accessible dans les installations de radiographie synchrotron.

Ils étendent également la visibilité du système et améliorent sa stabilité mécanique à long terme pour des périodes de mesure plus longues.

Référence du magazine :

Spiker, R, et coll. le. (2023) Efficacité de la dose In vivo Imagerie à contraste de phase aux rayons X avec une résolution micrométrique par loupes de Bragg. optique. est ce que je:10.1364/optica.500978

source: https://www.optica.org/

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Des fossiles d’anciens reptiles ressemblant à des crocodiles découverts au Brésil

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Des fossiles d’anciens reptiles ressemblant à des crocodiles découverts au Brésil
Brasilia :

Un scientifique brésilien a découvert des fossiles de petits reptiles ressemblant à des crocodiles qui vivaient pendant la période du Trias, des millions d’années avant l’apparition des premiers dinosaures.

Les fossiles du prédateur, appelé Parvosuchus aureloi, comprennent un crâne complet, 11 vertèbres, un bassin et quelques os de membres, selon le paléontologue Rodrigo Muller de l’Université fédérale de Santa Maria dans l’État de Rio Grande, auteur de la recherche publiée jeudi. Journal des rapports scientifiques.

Parvosuchus, qui vivait il y a environ 237 millions d’années, marchait sur quatre pattes et mesurait environ un mètre de long et se nourrissait de reptiles plus petits. Les fossiles ont été découverts dans le sud du Brésil. Parvosuchus, qui signifie « petit crocodile », appartient à une famille éteinte de reptiles appelée Gracilissuchidae, qui jusqu’à présent n’était connue qu’en Argentine et en Chine.

« Les Gracilisuchidae sont des organismes extrêmement rares dans le monde paléontologique », a déclaré Mueller à Reuters. « Ce groupe est particulièrement intéressant car ils vivaient juste avant l’aube des dinosaures. Les premiers dinosaures vivaient il y a 230 millions d’années. »

Parvosuchus était un prédateur terrestre. Gracili suchidae représente l’une des branches les plus anciennes de la lignée connue sous le nom de Pseudosuchia qui comprenait plus tard la branche alligator.

Parvosuchus a vécu à une époque d’innovation évolutive à la suite de la pire extinction massive sur Terre il y a 252 millions d’années, avec plusieurs groupes de reptiles en compétition avant que les dinosaures ne deviennent finalement dominants. Les derniers membres des Gracilisuchidae ont incontestablement disparu environ sept millions d’années avant l’apparition des premiers dinosaures.

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(Cette histoire n’a pas été éditée par le personnel de NDTV et est générée automatiquement à partir d’un flux syndiqué.)

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Une technique spectroscopique qui identifie les molécules d’eau sur une surface révèle comment elles se relâchent après agitation

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Une technique spectroscopique qui identifie les molécules d’eau sur une surface révèle comment elles se relâchent après agitation

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Diagramme schématique du processus de relaxation vibratoire de l’étirement de OH dans l’air/eau (H2o)Interface. crédit: Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-45388-8

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Diagramme schématique du processus de relaxation vibratoire de l’étirement de OH dans l’air/eau (H2o)Interface. crédit: Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-45388-8

Une image plus complète de la façon dont les molécules d’eau excitées lorsqu’elles interagissent avec l’air perdent leur énergie a été révélée par les scientifiques de RIKEN dans une étude. publié Dans le magazine Communications naturelles. Ce résultat sera précieux pour mieux comprendre les processus se produisant à la surface de l’eau.

L’eau est une anomalie à bien des égards. Par exemple, ses points de congélation et d’ébullition sont beaucoup plus élevés que prévu, et il est moins dense sous forme solide (glace) que sous forme liquide.

Presque toutes les propriétés inhabituelles de l’eau proviennent des liaisons faibles qui se forment et se brisent constamment entre les molécules d’eau voisines. Ces liaisons, appelées liaisons hydrogène, surviennent parce que l’oxygène attire davantage les électrons que l’hydrogène. Ainsi, l’oxygène légèrement négatif d’une molécule est attiré vers les atomes d’hydrogène légèrement positifs des autres molécules.

Mais un petit segment de molécules d’eau – celles à la surface – subit les liaisons hydrogène différemment des autres molécules d’eau. Dans leur cas, le bras qui dépasse dans l’air ne forme pas de liaisons hydrogène.

Jusqu’à présent, personne n’était capable de comprendre comment les bras de ces molécules de surface se détendaient après avoir été étirés. En effet, il est très difficile d’isoler le signal de ces molécules.

« Nous avons une bonne connaissance du comportement des molécules d’eau dans un corps liquide, mais notre compréhension des molécules d’eau à l’interface est loin derrière », explique Tahi Tahara du laboratoire de spectroscopie moléculaire RIKEN.

Au cours de la dernière décennie, une équipe dirigée par Tahara a tenté de remédier à cette situation en développant des techniques spectroscopiques très sophistiquées pour explorer les interactions des molécules d’eau sur les surfaces.

L’équipe a maintenant développé une technique basée sur la spectroscopie infrarouge, suffisamment sensible pour détecter la façon dont les liaisons oxygène et hydrogène dans les molécules d’eau de surface se relâchent.

Grâce à cette technique, l’équipe a découvert que les liaisons oxygène et hydrogène coincées dans l’air tournent en premier sans perdre d’énergie. Ils se détendent ensuite d’une manière similaire aux molécules d’un corps liquide qui forment un réseau de liaisons hydrogène.

« En ce sens, il n’y a pas beaucoup de différence entre les molécules à l’interface et à l’intérieur du liquide après avoir interagi avec leurs voisines, car elles partagent toutes deux le même processus de relaxation », explique Tahara. « Ces résultats dressent un tableau complet de la façon dont les liaisons oxygène et hydrogène se détendent à la surface de l’eau. »

Tahara et son équipe ont désormais l’intention d’utiliser leur technique spectroscopique pour observer les réactions chimiques qui se produisent à l’interface de l’eau.

Plus d’information:
Woongmo Sung et al., Profil de relaxation vibratoire unifié de l’étirement de l’OH à l’interface air/eau, Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-45388-8

Informations sur les magazines :
L’intelligence artificielle de la nature


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Supraconductivité à haute température : exploration du couplage électron-phonon en quadrature

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Supraconductivité à haute température : exploration du couplage électron-phonon en quadrature

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Une image conceptuelle de la formation des pôles quantiques. Les boules bleues représentent les ions chargés positivement dans le réseau matériel et les deux points rouges représentent les paires de Cooper. Crédit : Pavel A. Volkov.

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Une image conceptuelle de la formation des pôles quantiques. Les boules bleues représentent les ions chargés positivement dans le réseau matériel et les deux points rouges représentent les paires de Cooper. Crédit : Pavel A. Volkov.

Nouvelle étude publié dans Lettres d’examen physique (PRL) explore le potentiel du couplage électron-phonon en quadrature pour améliorer la supraconductivité grâce à la formation de dipôles quantiques.

Le couplage électron-phonon est l’interaction entre les électrons et les vibrations dans un réseau appelé phonons. Cette interaction est cruciale pour la supraconductivité (conductivité électrique sans résistance) de certains matériaux car elle facilite la formation de paires de Cooper.

Les paires de Cooper sont des paires d’électrons liés entre eux via des interactions attractives. Lorsque ces paires de Cooper se condensent dans un état cohérent, nous obtenons des propriétés supraconductrices.

Le couplage électron-phonon peut être classé en fonction de sa dépendance au déplacement du phonon, c’est-à-dire la quantité de vibration du réseau. Le cas le plus courant est celui où la densité électronique est couplée linéairement aux déplacements du réseau, provoquant une distorsion du réseau pour entourer chaque électron.

Les chercheurs voulaient étudier si la supraconductivité des matériaux présentant un couplage quadratique pouvait être améliorée lorsque l’énergie d’interaction est proportionnelle au carré du décalage des phonons.

Phys.org s’est entretenu avec les co-auteurs de l’étude, Zhaoyu Han, Ph.D. Candidat à l’Université de Stanford et Dr Pavel Volkov, professeur adjoint au Département de physique de l’Université du Connecticut.

Parlant de sa motivation derrière la poursuite de ces recherches, Hahn a déclaré : « L’un de mes rêves a été d’identifier et de proposer de nouveaux mécanismes qui pourraient aider à atteindre la supraconductivité à haute température. »

« La supraconductivité du titanate de strontium dopé a été découverte il y a plus de 50 ans, mais son mécanisme reste une question ouverte, les mécanismes classiques étant improbables. C’est pourquoi j’ai commencé à rechercher des mécanismes alternatifs de couplage électron-phonon », a déclaré le Dr Volkov.

Le couplage linéaire et ses défis pour la supraconductivité

Comme mentionné précédemment, le couplage peut être classé comme linéaire ou quadratique.

Le couplage linéaire fait référence au scénario dans lequel le couplage est proportionnel au déplacement des phonons. En revanche, le couplage quadratique dépend du carré du décalage des phonons.

Ils peuvent être identifiés grâce à l’étude de la symétrie de la matière, aux observations expérimentales et aux cadres théoriques. Cependant, leurs effets sur la supraconductivité semblent très différents.

Le couplage linéaire, qui apparaît dans la plupart des matériaux supraconducteurs, est largement étudié en raison de sa prévalence dans de nombreux matériaux et de son cadre théorique.

Cependant, les supraconducteurs conventionnels dotés d’un couplage électron-phonon linéaire sont confrontés à des limites. Ces matériaux ont une faible température critique, qui est la température en dessous de laquelle un matériau peut présenter une supraconductivité.

« Les températures critiques de ces supraconducteurs sont généralement inférieures à 30 Kelvin ou -243,15 degrés Celsius. Cela est dû en partie au fait que l’énergie de liaison et l’énergie cinétique de la paire Cooper sont considérablement supprimées dans les régimes de couplage faible et fort, respectivement », a expliqué Hahn.

Dans le cas d’un couplage faible, les interactions électron-phonon sont faibles en raison de la faible énergie de liaison. En couplage fort, les interactions sont plus fortes, conduisant à une augmentation de la masse effective des paires de Cooper, ce qui conduit à la suppression de la supraconductivité.

Cependant, la suppression entrave tout effort visant à améliorer les températures critiques dans de tels matériaux en augmentant simplement la force de couplage, encourageant les chercheurs à explorer des matériaux dotés d’un couplage électron-phonon quadratique, qui n’est pas bien compris.

Modèle Holstein et pôles quantiques

Le modèle Holstein est un cadre théorique utilisé pour décrire l’interaction entre les électrons et les phonons. Il a déjà été utilisé pour étudier la physique générale du couplage linéaire électron-phonon.

Les chercheurs ont étendu le modèle Holstein pour inclure le couplage électron-phonon en quadrature dans leur étude.

Le modèle Holstein aide à calculer des quantités telles que l’énergie de liaison des paires de Cooper et la température critique des supraconducteurs.

Dans les matériaux conventionnels, la liaison des électrons médiée par les phonons conduit à la formation de paires de Cooper.

L’interaction est linéaire, ce qui signifie que la force de couplage augmente avec l’amplitude des vibrations du réseau. Cette interaction peut être comprise à l’aide des principes de la physique classique et est bien étayée par des observations expérimentales telles que les effets isotopiques.

Dans le cas d’une conjonction quadratique, la situation est complètement différente. En étendant le modèle Holstein pour inclure la dépendance du second ordre du couplage au déplacement des phonons, les chercheurs ont pris en compte les fluctuations quantiques (mouvement aléatoire) des phonons et leur énergie du point zéro (l’énergie des phonons à 0 K ).

Les électrons interagissent avec les fluctuations quantiques des phonons, formant un « dipôle quantique ». Contrairement au couplage linéaire, l’origine des interactions attractives est la mécanique quantique pure.

La supraconductivité est dans la limite du couplage faible et fort

Les chercheurs ont découvert que lorsque l’interaction électron-phonon est faible, le mécanisme par lequel les électrons s’apparient pour former des paires de Cooper n’est pas efficace, comme dans le cas linéaire. Il en résulte une température critique plus basse qui peut être affectée par la masse des ions (effet isotopique), mais d’une manière différente que dans le cas linéaire.

En d’autres termes, la (basse) température critique d’une substance peut changer considérablement selon les différentes masses atomiques.

En revanche, lorsque les interactions électron-phonon sont fortes, nous obtenons la formation de dipôles quantiques, qui peuvent devenir supraconducteurs à une température déterminée par leur masse effective et leur densité.

En dessous de la température critique, les condensateurs bipolaires quantiques peuvent se déplacer librement sans perturber le cristal. Plus de mouvement conduit à un état supraconducteur, plus stable et ayant une température critique plus élevée. Contrairement au mécanisme linéaire, la masse dipolaire quantique n’est que légèrement améliorée par le couplage, ce qui permet des températures critiques plus élevées.

« Notre travail montre que ce mécanisme permet des températures de transition plus élevées, au moins pour un couplage fort. Ce qui est également positif, c’est que ce mécanisme ne nécessite aucune condition préalable particulière pour être efficace, et il existe des conditions tout à fait réalistes dans lesquelles il sera dominant », a-t-il déclaré. expliqué. Dr Volkov.

« Sur la base des constantes physiques fondamentales liées aux solides, une estimation optimiste de la température critique pouvant être atteinte par ce mécanisme pourrait être de l’ordre de 100 K », a prédit Hahn.

Travail futur

« Une implication possible, tout d’abord, serait une augmentation de la température de transition de la supraconductivité. La supraconductivité dépend également de manière sensible des propriétés des électrons ; par conséquent, pour obtenir un couplage fort, nous proposons l’utilisation de super-réseaux spécialement conçus pour les électrons. » Le Dr Volkov a expliqué.

Les chercheurs affirment que la prochaine étape, en théorie, consisterait à trouver le régime optimal de force de couplage pour la supraconductivité. Les chercheurs espèrent également que les expérimentateurs exploreront les matériaux de super-réseau présentant de grands couplages électron-phonon quadratiques.

« Expérimentalement, la création de super-réseaux via la structuration ou l’utilisation d’interfaces entre des matériaux torsadés pourrait être une voie prometteuse pour atteindre le type de supraconductivité auquel nous nous attendons », a déclaré le Dr Volkov.

Hahn a également noté qu ‘ »il est important d’identifier les matériaux présentant de grands couplages électron-phonon quadratiques grâce à des calculs préliminaires, car cela n’a pas été systématiquement exploré ».

Plus d’information:
Zhaoyu Han et al., Supraconductivité dipolaire quantique à partir du couplage électron-phonon en quadrature, Lettres d’examen physique (2024). est ce que je: 10.1103/PhysRevLett.132.226001. sur arXiv: DOI : 10.48550/arxiv.2312.03844

Informations sur les magazines :
Lettres d’examen physique


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