機械学習が量子化学を支援：カップリングクラスタ精度に迫る分子電子構造予測 学術的背景 物理学、化学、材料科学の分野において、計算方法はさまざまな物理現象の背後にあるメカニズムを明らかにし、材料設計を加速するための重要なツールです。しかし、量子化学計算（特に電子構造計算）は計算のボトルネックとなり、計算速度とスケーラビリティを制限しています。近年、機械学習手法が分子動力学シミュレーションの高速化と精度向上に顕著な成功を収めていますが、既存の機械学習モデルの多くは密度汎関数理論（DFT）データベースをトレーニングデータの「真値」として使用しており、その予測精度はDFT自体を超えることができません。DFTは平均場理論として、計算において通常いくつかの化学精度（1 kcal/mol）よりも大きな系統...

無定形前駆体からの結晶出現の予測：ディープラーニングがもたらす材料科学の新たな突破口 背景紹介 結晶が無定形物質から徐々に生成されるプロセスは、自然界から実験室まで広く重要な意義を持っています。このプロセスは地質から生物現象に至るまで様々な現象に見られ、新材料の開発においても中心的な役割を果たしています。しかし、無定形状態から結晶態への変換において、最初に現れるのはしばしば熱力学的に安定な状態ではなく、準安定状態（metastable state）の結晶です。この準安定状態の形成は「オストワルドの法則」によって説明され、無定形前駆体（amorphous precursor）と類似した局所構造を持つ結晶が優先的に核生成しやすいとされています。 無定形材料の結晶化プロセス、特にそのエネルギーラン...

絹フィブロインヒドロゲルにおけるフェムト秒レーザー誘導屈折率変化研究：眼科用生体埋め込み材料の新たな可能性 高度に知能化と生物医学が急速に進化する今日、屈折矯正技術は世界中の眼科分野で注目される研究トピックとなっています。しかし、現在の矯正技術（例：角膜の機械的形状変更や商用設計の眼内レンズ材料の使用）は、精度の不足や使用材料の生体適合性の欠如といった問題に直面しています。このため、科学界では新しい非破壊的な矯正技術である「フェムト秒レーザー誘導屈折率変化（Laser Induced Refractive Index Change：LIRIC）」がますます注目されるようになりました。この背景のもと、University of Rochesterの研究チームはInstituto de Ópti...

シリコーンゴムの電気トラッキング劣化メカニズムを明らかにする最前線の科学ニュース 背景紹介：研究の動機と課題 電力輸送と配電システムの急速な発展に伴い、高分子複合絶縁体は従来のガラスやセラミック絶縁体に取って代わり、屋外高電圧送電分野において第一選択の材料となっています。その中でも、シリコーンゴムを基盤とした複合絶縁体は、軽量、高耐熱性、化学的安定性、そして疎水性能（hydrophobicity）の優れた性能でエンジニアリング界で高く評価されています。これらは生産・設置の過程で高いコストパフォーマンスを持つだけでなく、長期の運用においても卓越した耐老化性能を発揮します。しかし、これらの絶縁材料は実際の運用条件下で、電気的および環境的ストレス（高電圧や多様な気象要因、塩霧腐食など）を受けること...

背景紹介 近年、ねじれ二層および三層グラフェンにおける超伝導の発見が広く注目を集めています。これらのシステムの鍵となる特徴は、層間結合とモアレ超格子の相互作用にあり、低エネルギーの平坦バンドが出現し、これが強相関を示します。同様の平坦バンドは、他の二次元材料（例えば遷移金属ダイカルコゲナイド、TMDs）の格子不整合やねじれヘテロ構造におけるモアレパターンによっても誘導される可能性があります。モアレTMDsではさまざまな相関現象が観察されていますが、超伝導の確かな実験的証拠は依然として不足していました。本論文では、5.0°ねじれ二層WSe₂において超伝導が観察され、最高臨界温度が426 mKに達することが報告されています。この発見は、モアレ平坦バンド超伝導がグラフェン構造に限定されないことを示...

4Dプリントバイオミメティック蛇型ソフトロボット 学術的背景 医療技術の進歩に伴い、無線マイクロロボットが生体内の複雑な血管ネットワークをナビゲートする能力が注目されています。これらのロボットは、狭い空間でターゲット薬物送達、内視鏡検査、および低侵襲手術などの精密な医療タスクを実行できます。しかし、従来のマイクロロボットは、その大きさと複雑な接続のため、狭い血管環境での柔軟な運動が困難でした。この問題を解決するために、研究者たちはバイオミメティックデザイン、特に蛇の運動パターンを模倣することを探求し始めました。蛇は、その高いアスペクト比の体と波状の泳ぎ方により、液体環境で卓越した機動性を示し、狭い血管内をナビゲートするマイクロロボットの設計にインスピレーションを与えました。 論文の出典 この...

還元酸化グラフェンを利用した二酸化チタン光触媒抗菌骨足場の研究 学術的背景 骨欠損修復の過程において、細菌感染は人工骨足場を移植した後に最も一般的な合併症の一つです。細菌が足場表面にバイオフィルムを形成し、酸や酵素を放出することで、骨代謝を妨げ、骨基質を破壊し、細胞増殖を抑制し、骨治癒を遅らせます。この問題を解決するため、研究者たちは抗菌機能を持つ骨足場材料の探索を続けてきました。二酸化チタン（TiO₂）は、光触媒的に活性酸素（ROS）を生成する能力を持つ金属酸化物半導体として広く研究されています。しかし、TiO₂の光生成電子-正孔対の迅速な再結合により、その光触媒効率が低く、抗菌応用における潜在能力が制限されています。 TiO₂の抗菌効率を向上させるため、研究者たちはその結晶構造や表面特性...

選択的レーザー溶融タンタル骨プレートの研究と臨床応用 学術的背景 整形外科インプラント分野では、チタン（Ti）ベース合金とタンタル（Ta）が高い生体適合性のために広く使用されています。チタンベース合金は通常、骨プレートや大腿骨ステムなどの荷重インプラントの製造に使用され、タンタルはその高密度と優れた骨組織親和性のため、多孔質形態やコーティング材料として使用されます。しかし、化学気相成長法（CVD）などの従来の製造方法では、多孔質構造のトポロジー特性を正確に制御することができず、整形外科インプラントにおけるタンタルの応用が制限されていました。近年、積層造形（AM）技術、特に選択的レーザー溶融（SLM）技術により、複雑な多孔質構造を持つ個別化インプラントの製造が可能になりました。本研究では、SL...

光熱MXene埋め込みタンニンEu3+粒子を用いた海水浸漬感染創傷のための原位細菌ワクチン 学術的背景 海水浸漬創傷は、低温、高塩分、および細菌が豊富な環境により、深刻な感染を引き起こし、創傷治癒を妨げます。従来の抗菌戦略は、長期的な抗感染効果を提供できず、創傷治癒を効果的に促進することもできませんでした。この問題を解決するために、研究者らは、細菌を殺し、原位で細菌抗原を送達することで、海水浸漬創傷感染に対する抵抗力を強化することを目的とした新しい多機能創傷被覆材を開発しました。この研究では、MXene埋め込みタンニン酸-ユウロピウム（M@TA-Eu）粒子に基づく戦略を提案し、光熱効果により細菌を殺し、原位細菌ワクチンを形成することで、創傷治癒を加速し、持続的な抗感染効果を提供します。 論文...

3Dバイオプリンティングによる皮膚再生用デルマルスキャフォールド 学術的背景 皮膚は人体最大の器官であり、外界からの損傷や微生物の侵入を防ぐ重要な機能を担っています。しかし、皮膚が広範囲に損傷を受けた場合、その自己修復能力は限られており、瘢痕形成や炎症反応などの問題を引き起こし、皮膚の正常な形態や機能に影響を与えることがあります。従来の皮膚代替品（フィルム、ハイドロゲル、ナノファイバー膜など）は傷の治癒を促進することができますが、健康な皮膚の微小環境を完全に模倣することはできず、修復後の皮膚は形態や機能において正常な皮膚と差異が生じます。近年、三次元（3D）バイオプリンティング技術は、生体材料や細胞の堆積を精密に制御し、複雑な3D構造を構築できることから、皮膚組織工学の分野で注目を集めていま...