Möchten Sie Mikroplastik in Ihrem Wasser reduzieren? Vor dem Trinken abkochen丨Tech Weekly

Zusammengestellt von Zhou Shuyi

Dieser Fisch ist nur so groß wie ein Fingernagel, kann aber ein Geräusch machen, das mit dem eines startenden Flugzeugs vergleichbar ist

Danionella cerebrum | Quelle: Senckenberg/Britz

Tagore schrieb in „Der Halbmond“: „Die Fische, die im Wasser schwimmen, sind still.“ Dies ist jedoch nicht der Fall. Eine am 26. Februar in PNAS veröffentlichte Studie zeigte, dass ein kleiner durchsichtiger Fisch namens Danionella cerebrum zwar nur 12 Millimeter lang ist, seine Männchen jedoch Geräusche von bis zu 140 Dezibel erzeugen können, was so laut ist wie das Hören eines startenden Düsenflugzeugs in 100 Metern Entfernung.

Durch eine Kombination aus Hochgeschwindigkeitsfotografie, Mikro-CT-Scanning, RNA-Analyse und Finite-Differenzen-Simulationen fanden die Forscher heraus, dass D. cerebrum über einzigartige Strukturen zur Geräuscherzeugung verfügt, darunter Trommelknorpel, spezielle Rippen und ermüdungsresistente Muskeln. Diese Struktur kann den Trommelfellknorpel mit einer Beschleunigung von über 2000 g ziehen, wodurch dieser gegen die Schwimmblase schlägt und einen schnellen, lauten Ton erzeugt. Durch abwechselnde Schläge auf die Schwimmblase durch den Knorpel auf beiden Seiten des Körpers können hochfrequente Schallimpulse erzeugt werden; Wiederholte Schläge auf eine Seite erzeugen niederfrequente Impulse. Durch die Kombination beider kann ein vielfältigerer Klang erzeugt werden. D. cerebrum ist in den trüben Gewässern Myanmars heimisch. Die Forscher vermuten, dass dieser Mechanismus der stimmlichen Kommunikation durch den Wettbewerb zwischen Männchen in Umgebungen mit schlechter Sicht erleichtert wird.

Link zum Artikel:
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2314017121

Gute Nacht! Odysseus

Intuitive Machines gab am 29. Februar bekannt, dass die Landesonde Odysseus eine Woche nach der Landung auf dem Mond eine lange, kalte Nacht von 14 Erdentagen am Südpol des Mondes erlebte und daraufhin in den Winterschlaf ging. Wenn es die kalte Mondnacht überlebt, kann es nach zwei bis drei Wochen „aufwachen“ und sich wieder mit der Erde verbinden.

Am 29. Februar wurde das letzte Foto von Odysseus zurückgesendet, bevor die Batterie leer war (aufgenommen am 22.). | Quelle: Intuitive Machines

"Odysseus" landete am 23. Februar erfolgreich auf der Mondoberfläche. Zunächst gab Intuitive Machines bekannt, dass sich die Landesonde in aufrechter Position befinde. Spätere Meldungen zeigten jedoch, dass das Flugvorbereitungsteam den Sicherheitsschalter vor dem Raketenstart nicht manuell entriegelt hatte. Dies führte dazu, dass der zur Navigation verwendete Laser-Entfernungsmesser der Landesonde nicht normal starten konnte. Zur Unterstützung der Landung war die Besatzung auf ein experimentelles Navigationssystem in einer NASA-Nutzlast angewiesen. Diese Reaktion könnte dazu geführt haben, dass die Odysseus zu schnell landete (mit einer Horizontalgeschwindigkeit von etwa 0,89 Metern pro Sekunde), wodurch der Rumpf „stolperte“ und auf einen Felsen überschlug. Dies hatte zur Folge, dass die Solarmodule und Antennen von „Odysseus“ nicht wie geplant vollständig ausgefahren werden konnten und die Stromversorgung sowie die Kommunikationsmöglichkeiten eingeschränkt waren. Dadurch war der Missionszyklus kürzer als die ursprünglich geschätzten 7 bis 10 Tage. (Intuitive Maschinen)

Der Moment der Landung. | Quelle: Intuitive Machines

3D-gedruckte Titanlegierung stellt Rekord für Dauerfestigkeit auf

3D-Druck, auch als additive Fertigung (AM) bekannt, ist eine Technologie zur Herstellung physischer Teile durch schichtweises Aufbringen von Materialien auf der Grundlage von CAD-Konstruktionsdaten. Im Vergleich zur herkömmlichen Materialabtragstechnologie (Schneiden) handelt es sich um eine Fertigungsmethode mit Materialansammlung „von unten nach oben“. Allerdings ist die Ermüdungsbeständigkeit von 3D-gedruckten Komponenten unter zyklischer Belastung im Allgemeinen schlecht, was ihre breite Anwendung als tragende Strukturteile einschränkt.

Eine am 29. Februar in Nature veröffentlichte Studie wies darauf hin, dass die direkt durch 3D-Drucktechnologie hergestellte Titanlegierungsstruktur (die sogenannte Net-AM-Struktur) unter idealen Bedingungen eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit aufweisen sollte, die tatsächliche Ermüdungsbeständigkeit jedoch schlecht ist, da während des Druckvorgangs Defekte wie Poren entstehen. Allerdings geht der derzeitige Prozess der Porenbeseitigung oft mit einer Vergröberung der Mikrostruktur einher, während der Prozess der Verfeinerung der Mikrostruktur zum erneuten Auftreten von Poren führt und sogar neue ungünstige Faktoren wie eine Anreicherung der α-Phase an den Korngrenzen hervorruft, was ein Dilemma darstellt. Die Forscher entdeckten zum ersten Mal in der Ti-6Al-4V-Legierung, dass die Korngrenzenwanderung, das Porenwachstum und die Phasenumwandlungsprozesse von 3D-gedruckten Strukturen bei hohen Temperaturen asynchrone Eigenschaften aufweisen. Dies bedeutet, dass es ein Prozessfenster für die Wärmebehandlung gibt, in dem eine Verfeinerung der Mikrostruktur der Lamellen erreicht werden kann, während gleichzeitig die Anreicherung der α-Phase an den Korngrenzen und das erneute Auftreten von Poren wirksam verhindert werden. Auf dieser Grundlage wurde im Rahmen der neuen Forschung ein Prozessablauf zur schrittweisen Regulierung von Defekten und Struktur entwickelt, um eine nahezu porenfreie Near-Net-AM-Ti-6Al-4V-Legierung herzustellen.

Tests zeigen, dass die Zugfestigkeit der neuen Legierung von 475 MPa im Originalzustand auf 978 MPa ansteigt. Dies ist der beste Wert unter den Titanlegierungsmaterialien und weist die höchste spezifische Dauerfestigkeit (Dauerfestigkeit geteilt durch Dichte) unter den bisher gemeldeten Materialermüdungsdaten auf. Forscher sagten, dass die 3D-Drucktechnologie derzeit in der Luft- und Raumfahrt weit verbreitet ist. Die Lebensdauer von Geräten, die mit der neuen Technologie hergestellt werden, kann bei gleicher Belastung um das Zehn- bis Hundertfache erhöht werden. Bei gleicher erwarteter Lebensdauer kann die Tragfähigkeit um 10 bis 15 % erhöht werden.

Link zum Artikel:
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07048-1

Möchten Sie Mikroplastik in Ihrem Wasser reduzieren? Vor dem Trinken abkochen

Mikroplastik und Nanoplastik (NMP) haben im Zuge der Industrialisierung stark zugenommen und jeden Winkel des modernen Lebens erobert. Wenn Sie sich wegen des allgegenwärtigen NMP im Trinkwasser Sorgen machen, können Sie diese einfache Methode ausprobieren: Kochen Sie das Wasser vor dem Trinken ab. Durch das Abkochen von hartem Leitungswasser können mehr als 80 Prozent der drei gängigen Nanokunststoffe (Polystyrol, Polyethylen und Polypropylen) entfernt werden. Dies geht aus einer am 28. Februar in Environmental Science & Technology Letters veröffentlichten Studie hervor.

Durch das Abkochen von Leitungswasser können Mikroplastikpartikel in Kalkpartikeln eingeschlossen werden, sodass sie leichter gefiltert und entfernt werden können. | Quelle: Eddy Zeng

Hartes Wasser, das reich an Mineralien ist, bildet beim Kochen natürlicherweise Kalk (hauptsächlich Kalziumkarbonat). Die Kalziumkarbonatkruste bildet eine kristalline Struktur, die die Kunststoffpartikel umhüllen kann. Diese Substanzen sammeln sich allmählich an und bilden Kalkablagerungen, wodurch freies NMP aus dem Wasser entfernt wird. Die Forscher sammelten harte Leitungswasserproben aus Guangzhou, China, fügten ihnen unterschiedliche Mengen an Nanoplastik (NPs) hinzu, kochten die Proben fünf Minuten lang und kühlten sie ab und maßen dann den Gehalt an freien Plastikpartikeln. Die Ergebnisse zeigten, dass mit steigender Wassertemperatur (25 °C bis 90 °C) die NP-Entfernungsrate in der Probe allmählich von 2 % auf 28 % anstieg und die Entfernungsrate bei 100 °C dramatisch auf 84 % anstieg. Je härter das Wasser (je höher der Mineralgehalt), desto deutlicher ist der Entfernungseffekt: Die Nanoplastik-Entfernungsrate von hartem Wasser (Calciumcarbonatgehalt 300 mg/l) erreicht nach dem Kochen 90 %; selbst weiches Wasser (Calciumcarbonatgehalt unter 60 mg/L) kann nach dem Abkochen noch über 25 % der Nanoplastik entfernen. Die Forscher schlagen vor, dass Filter eingesetzt werden könnten, um schwebende Kalkpartikel aus dem Trinkwasser zu entfernen und so die Aufnahme von Mikroplastik zu reduzieren.

Link zum Artikel:
http://dx.doi.org/10.1021/acs.estlett.4c00081

Lasso entdeckt erste Superquelle zur Beschleunigung kosmischer Strahlung

Das High Altitude Cosmic Ray Observatory (LHAASO) entdeckte eine riesige Blasenstruktur aus ultrahochenergetischen Gammastrahlen in der Sternentstehungsregion des Sternbilds Schwan und fand zum ersten Mal in der Geschichte den Ursprung kosmischer Strahlung mit Energien von über 100 Millionen Elektronenvolt. Die entsprechenden Ergebnisse wurden am 26. Februar im Science Bulletin veröffentlicht.

Kosmische Strahlung besteht aus geladenen Teilchen (hauptsächlich Protonen), die sich im interstellaren Raum mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen. Während ihrer Ausbreitung interagieren sie mit dem interstellaren Medium und erzeugen sekundäre Teilchen wie Gammastrahlenphotonen und Neutrinos. Messungen haben ergeben, dass das Energiespektrum der kosmischen Strahlung (also die Verteilung der Anzahl der kosmischen Strahlen im Verhältnis zur Teilchenenergie) bei etwa 1 Billiarde Elektronenvolt eine Knickstruktur aufweist, die die Form eines Kniegelenks hat und als „Knie“ des Energiespektrums der kosmischen Strahlung bezeichnet wird. Frühere Studien haben gezeigt, dass Himmelskörper in der Milchstraße kosmische Strahlung auf höchstens etwa 1 Billiarde Elektronenvolt beschleunigen können.

Energiespektrum der kosmischen Strahlung und seine „Knie“-Struktur. | Quelle: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Die von Lasso entdeckte riesige ultrahochenergetische Gammastrahlenblasenstruktur hat einen Durchmesser von etwa 1.000 Lichtjahren und ihr Zentrum ist etwa 5.000 Lichtjahre von der Erde entfernt. Die Energie der darin beobachteten Photonen kann bis zu 2 Billiarden Elektronenvolt erreichen. Um ein Gammaphoton mit einer Energie von 2 Billiarden Elektronenvolt zu erzeugen, sind im Allgemeinen kosmische Strahlungsteilchen mit einer zehnmal höheren Energie erforderlich. Dies deutet darauf hin, dass sich innerhalb der Blasenstruktur eine Beschleunigungsquelle für kosmische Strahlung befindet, die kontinuierlich hochenergetische kosmische Strahlungspartikel mit Energien von bis zu 200 Billionen Elektronenvolt produziert. Der massereiche Sternhaufen (Cygnus OB2-Assoziation) nahe dem Zentrum der Blase ist der Himmelskörper, der am wahrscheinlichsten der Quelle der Beschleunigung der kosmischen Strahlung entspricht. Die Strahlungsintensität dieser Sterne ist hundert- bis millionenfach höher als die der Sonne. Der enorme Strahlungsdruck bläst Material von der Oberfläche der Sterne weg und bildet Sternwinde mit Tausenden von Kilometern pro Sekunde, die mit dem umgebenden Medium kollidieren und eine extreme Umgebung mit starken Stoßwellen und starken Turbulenzen bilden, die zu leistungsstarken Teilchenbeschleunigern werden. Dies ist die erste Super-Beschleunigungsquelle für kosmische Strahlung, die bisher zertifiziert werden konnte. Die Forscher sagten, dass „LASO“ mit zunehmender Beobachtungszeit wahrscheinlich mehr ähnliche Superbeschleunigungsquellen für kosmische Strahlung entdecken wird, was das Rätsel um den Ursprung der kosmischen Strahlung in der Milchstraße lösen dürfte.

Link zum Artikel:
https://doi.org/10.1016%2Fj.scib.2023.12.040

Neuer Durchbruch bei Lithiumbatterien, kann in einer Umgebung von -70 °C bis 60 °C „frei geladen und entladen“ werden

Lithium-Ionen-Pouchzellen werden untersucht. | Quelle: Zhejiang-Universität

Forscher der Zhejiang-Universität veröffentlichten am 29. Februar einen Artikel in Nature, in dem sie einen neuen Elektrolyten erforschen und entwickeln, der das reversible Laden und Entladen von Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Energiedichte in einem ultraweiten Temperaturbereich von -70 °C bis 60 °C sowie schnelles Laden und Entladen bei Raumtemperatur unterstützt. Im Rahmen der neuen Forschung wurde eine Reihe neuer extremer Elektrolyt-Designprinzipien entwickelt und verifiziert, die den traditionellen Lithium-Ionen-Übertragungsmodus durchbrechen. Testdaten zeigen, dass die Ionenleitfähigkeit des neuen Elektrolyten bei einer Raumtemperatur von 25 °C viermal so hoch ist wie die eines handelsüblichen Elektrolyten und bei -70 °C um drei Größenordnungen höher ist als die eines handelsüblichen Elektrolyten. Es wird berichtet, dass der neue Elektrolyt derzeit relativ teuer ist und zunächst unter extremen Temperaturbedingungen wie in der Polarforschung, der Weltraumforschung und der Meeresbodenerkundung eingesetzt werden kann.

Link zum Artikel:
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07045-4

Warum haben Menschen ihren Schwanz verloren?

Eine wichtige morphologische Veränderung von den Altweltaffen vor zig Millionen Jahren bis hin zum heutigen Menschen ist die Degeneration und das Verschwinden des Schwanzes. Nicht nur Menschen, sondern auch Schimpansen, Gorillas, Orang-Utans und Gibbons haben keinen Schwanz. Diese Tiere gehören zur selben Überfamilie wie der Mensch, den Hominoidea. Man geht davon aus, dass sich die Vorfahren der Hominiden-Überfamilie vor etwa 25 Millionen Jahren von den Altweltaffen abgespalten haben und ihre Schwänze zu degenerieren begannen. Diese phänotypische Veränderung verschaffte den Affen den Vorteil des aufrechten Gangs, während sie gleichzeitig die Fähigkeit verloren, beim Klettern mit Hilfe des Schwanzes das Gleichgewicht zu halten. Dies könnte zur Bewegung der menschlichen Vorfahren aus den Baumkronen auf den Boden beigetragen haben. Doch die genetische Ursache für das Verschwinden des Schwanzes bleibt ein Rätsel.

Die Vorfahren der Hominiden haben sich vor etwa 25 Millionen Jahren von den Altweltaffen abgespalten. | Quelle: Itai Yanai et al.

Eine am 28. Februar in Nature veröffentlichte Studie zeigte, dass eine in ein bestimmtes Gen eingefügte repetitive Sequenz die Konfiguration des resultierenden Proteins veränderte, was möglicherweise zum Verschwinden des Schwanzes in der Affen-Überfamilie geführt hat. Die Forscher untersuchten 140 Gene, die mit der Schwanzentwicklung bei Wirbeltieren in Zusammenhang stehen, und identifizierten Alu-Elemente in den Introns des TBXT-Gens in der Hominiden-Superfamilie, die bei anderen Affen nicht gefunden wurden. Alu-Elemente sind eine Art repetitiver Sequenzen, die im Genom von Säugetieren, insbesondere dem Menschen, weit verbreitet sind. Das Forschungsteam stellte fest, dass der Prozess der Alu-Insertion in das Intron des TBXT-Gens zwar keine Veränderung der codierenden Region bewirkte, jedoch zu alternativem Spleißen führte – wodurch unterschiedliche mRNA-Spleiß-Isomere entstanden, die Struktur des Proteinprodukts verändert und somit Unterschiede im Schwanzphänotyp entstanden.

Um diese Hypothese zu überprüfen, konstruierte das Forschungsteam eine spezielle heterozygote Maus, um das Expressionsmuster von TBXT in der Hominiden-Superfamilie zu simulieren. Diese Mäuse exprimieren zwei verschiedene Formen des Tbxt-Gens: eine normale Form in voller Länge und eine Exon-Skipping-Form, die durch die Einfügung eines Alu-Elements vermittelt wird. Die Ergebnisse zeigten, dass Mäuse, die beide Proteinisoformen produzieren, verkürzte oder keine Schwänze haben, abhängig von der relativen Häufigkeit der Expression in der embryonalen Schwanzknospe. Dies lässt darauf schließen, dass das durch die Alu-Insertion verursachte Exon-Skipping ausreicht, um den Verlust des Schwanzes herbeizuführen.

Darüber hinaus stellten die Autoren fest, dass Mäuse mit Alu-Element-Insertionen Neuralrohrdefekte entwickeln können, was darauf schließen lässt, dass der evolutionäre Prozess des Schwanzverlusts das Risiko von Neuralrohrdefekten beim Menschen erhöhen kann. Die Häufigkeit dieses Defekts bei menschlichen Neugeborenen beträgt etwa 1/1000. Die betroffenen Kinder weisen bestimmte Geburtsfehler im Gehirn, der Wirbelsäule oder dem Rückenmark auf, die neurologische Schäden verursachen können. (WuXi AppTec)

Link zum Artikel:
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07095-8

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.

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