保护敏感元数据,使其不能用于监视

麻省理工学院的研究人员设计了一个可扩展的系统,该系统可以保护通信网络中数百万用户的元数据,如通信对象和通信时间,以帮助保护信息免受可能的国家级监视。

保护在线通信内容的数据加密方案如今很流行。例如,WhatsApp等应用程序使用了“端到端加密”(E2EE),这是一种确保第三方窃听者无法读取终端用户发送的信息的方案。

但是大多数这些方案都忽略了元数据,元数据包含关于谁在说话、何时发送消息、消息大小和其他信息的信息。很多时候,这就是政府或其他黑客追踪个人所需了解的全部信息。这对于政府告密者或生活在专制政权下的人与记者交谈尤其危险。

完全保护用户元数据和密码隐私的系统是复杂的,它们面临着可伸缩性和速度问题,这些问题迄今限制了它们的实用性。有些方法运行速度快,但安全性差得多。的一篇论文中提出的USENIX研讨会上网络系统设计和实现中,麻省理工学院的研究人员描述“XRD”(十字路口),metadata-protection方案可以处理加密通信从数百万用户在几分钟内,而传统方法与相同级别的安全要花费几个小时的时间,发送每个人的消息。

“对元数据的保护严重缺乏,而元数据有时非常敏感。第一作者Albert Kwon博士说。他是计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)的一名应届毕业生。“加密可以很好地保护内容。但是,我们如何才能完全保护用户不受州级对手利用的元数据泄露的影响呢?”

参与Kwon论文写作的还有电子工程与计算机科学系的本科生David Lu;Srinivas Devadas是CSAIL电子工程和计算机科学的Edwin Sibley Webster教授。

新的旋转混合网

从2013年开始,爱德华·斯诺登(Edward Snowden)披露的机密信息揭露了美国政府在全球范围内的广泛监控。尽管美国国家安全局(National Security Agency)随后停止了大规模收集元数据的工作,但在2014年,美国国家安全局(NSA)和中央情报局(cia)前局长迈克尔·海登(Michael Hayden)解释说,政府通常可以完全依靠元数据来找到它要找的信息。巧的是,这正是权开始他的博士研究的时候。

“这就像是对密码学和安全社区的一记重击,”权说。“这意味着,加密并没有真正阻止这方面的间谍活动。”

权相权博士的大部分时间都在研究元数据隐私。通过XRD, Kwon表示,他将传统的E2EE元数据保护方案“mix nets”进行了“新的调整”,该方案是几十年前发明的,但存在可扩展性问题。

Mix网使用服务器链,即所谓的Mix和公钥-私钥加密。第一个服务器接收来自许多用户的加密消息,并从每个消息解密单层加密。然后,它随机打乱消息的顺序,将它们传输到下一个服务器,下一个服务器执行相同的操作,以此类推。最后一个服务器解密最后一个加密层并将消息发送到目标接收方。

服务器只知道即时源(前一个服务器)和即时目的地(下一个服务器)的身份。基本上,变换和有限的身份信息切断了源用户和目标用户之间的联系,使得窃听者很难获得这些信息。只要链中的一个服务器是“诚实的”——即它遵循协议——元数据几乎总是安全的。

然而,“主动攻击”也可能发生,在这种情况下,恶意服务器会混合使用网络篡改消息,从而暴露用户源和目的地。简而言之,恶意服务器可以删除消息或修改发送时间,以创建显示用户之间直接链接的通信模式。

一些方法在服务器之间添加加密证明,以确保没有篡改。它们依赖于公钥加密,公钥加密是安全的,但它也很慢,并且限制了可伸缩性。对于XRD,研究人员发明了一种更有效的密码证明,称为“聚合混合洗牌”,它保证服务器正确地接收和洗牌消息,以检测任何恶意的服务器活动。

每个服务器都有一个秘密私钥和两个共享公钥。每个服务器必须知道所有的密钥来解密和洗牌消息。用户在层中加密消息,在各自的层中使用每个服务器的秘密私钥。当服务器接收到消息时,它使用其中一个公钥和自己的私钥组合对消息进行解密和洗牌。然后,它使用第二个公钥生成一个证明,确认它确实在没有删除或操作任何消息的情况下打乱了所有消息。链中的所有其他服务器都使用它们的秘密私有密匙和其他服务器的公共密匙来验证这个证明。如果在链的任何地方,服务器没有提供证明或提供了不正确的证明,那么它将立即被识别为恶意的。

这依赖于流行的公钥方案与一种称为“认证加密”的方案的巧妙组合,后者仅使用私钥,但在生成和验证证明方面非常迅速。这样,XRD在快速高效运行的同时,实现了公钥加密的严密安全性。

为了进一步提高效率,他们将服务器分成多个链,并在用户之间分配使用。(这是他们改进的另一项传统技术。)使用一些统计技术,他们根据IP地址和其他信息,估计每个链中有多少服务器可能是恶意的。然后,他们计算每个链中需要多少服务器才能保证至少有一个可靠的服务器。然后,他们将用户分成不同的组,这些组向多个随机链发送重复的消息,从而在加快速度的同时进一步保护用户的隐私。

要实时

通过计算机模拟200万用户在100台服务器上发送信息的活动,XRD能够在大约四分钟内让每个人的信息都通过。使用相同服务器和用户编号并提供相同密码安全性的传统系统需要一到两个小时。

Kwon说:“在今天的通讯世界中,就绝对速度而言,这似乎有点慢。”“但重要的是要记住,目前最快的系统(用于元数据保护)需要几个小时,而我们的系统只需要几分钟。”

下一步,研究人员希望能让网络在少数用户和服务器离线的情况下更稳定,并加快运行速度。Kwon说:“对于两个人都有生命危险的敏感信息和电子邮件来说,四分钟是可以接受的,但它不像今天的互联网那么自然。”“我们希望达到这样一种境界,即我们几乎实时地发送受元数据保护的消息。”

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利用光来扭转电子

有些分子,包括生物体中的大多数分子,其形状可以以两种不同的镜像形式存在。左旋和右旋的分子有时会有不同的性质,因此只有一种分子执行分子的功能。现在,一组物理学家发现,一种类似的不对称模式可以用一种特殊的光束来刺激某些外来物质,并在这些物质中随意诱导和测量。

在这种情况下,所谓的“手性”现象,即手性,并不是发生在分子本身的结构中,而是发生在物质中电子密度的一种模式中。研究人员发现,这种不对称的图案是由一种不寻常的材料引起的,这种材料是一种过渡金属双氢酰亚胺半金属TiSe2或二烯化钛。

这项新发现,从而开辟新的研究领域的光学控制量子材料,今天在《自然》杂志上的一篇论文中描述了由麻省理工学院博士后苏扬徐和琼脂马,教授Nuh Gedik Pablo Jarillo-Herrero,和15的同事在美国麻省理工学院和其他大学美国、中国、台湾、日本和新加坡。

研究小组发现,尽管室温下的二烯化钛没有手性,但随着温度的降低,它会达到一个临界点,在这个临界点上,右手和左手电子构型的平衡被打破,一种构型开始占据主导地位。他们发现,这种效应可以通过向材料发射圆偏振中红外光来控制和增强,而且光的旋向(无论偏振是顺时针还是逆时针旋转)决定了电子分布的手性。

“这是一种非传统的材料,我们还不完全了解,”Jarillo-Herrero说。他说,这种材料自然地把自己组织成“松散地堆叠在一起的二维层”,有点像一捆纸。

在这些层中,电子的分布形成了一种“电荷密度波函数”,这是一组波纹状的条纹状的交替区域,其中电子的密度或大或小。这些条纹可以形成螺旋状的图案,就像DNA分子或螺旋梯的结构,向右或向左扭转。

通常情况下,这种材料会包含等量的电荷密度波的左、右两个版本,旋向性的影响在大多数测量中会抵消。但在偏振光的影响下,马说,“我们发现我们可以使材料更倾向于这些手性中的一个。”然后我们可以用另一束光来探测它的手性。“这类似于磁场诱导金属中的磁性取向,而金属中的分子通常是随机定向的,因此没有净磁效应。”

但是,在固体材料中引入光的手性效应是“以前从未有人做过的”,Gedik解释说。

在用圆偏振光诱导出特定的方向性后,“我们可以从光产生电流的方向检测出材料的手性,”徐补充道。然后,如果一个对极偏振光光源照射到材料上,这个方向可以转换成另一个方向。

Gedik说,尽管之前的一些实验表明这种材料中可能存在这种手性相,但“存在相互矛盾的实验”,所以直到现在这种影响是否真实还不清楚。虽然现在预测这样一个系统的实际应用还为时过早,但他说,仅仅用一束光来控制材料的电子行为的能力可能具有巨大的潜力。

虽然这项研究是用一种特定的材料进行的,但研究人员说,同样的原理也适用于其他材料。他们使用的材料,二烯化钛,被广泛研究用于量子器件的潜在用途,对它的进一步研究也可能为超导材料的行为提供见解。

Gedik说,这种诱导材料电子状态变化的方法是一种新工具,有可能被更广泛地应用。他说:“这种与光的相互作用现象在其他材料中也会很有用,不仅仅是手性材料,我怀疑它还会影响其他种类的秩序。”

而且,虽然手性在生物分子和某些磁现象中是众所周知和广泛存在的,“这是我们第一次证明这种现象发生在固体的电子特性中,”Jarillo-Herrero说。

“作者们发现了两个新东西,”阿姆斯特丹大学(University of Amsterdam)教授贾斯珀·范·韦策尔(Jasper van Wezel)说。他说,这些新发现是“一种检测材料是否具有手性的新方法,也是一种增强大块材料整体手性的方法。”这两个突破都意义重大。第一个是作为材料科学家实验工具箱的补充,第二个是作为在与光的相互作用方面具有理想性能的工程材料的方法。”

这项研究得到了美国能源部、戈登和贝蒂·摩尔基金会以及国家科学基金会的支持。该团队包括麻省理工学院、卡内基梅隆大学、德雷克塞尔大学的研究人员;国立中山大学、国立成功大学、台湾中央研究院;中国深圳大学、东北大学、新加坡国立大学、康奈尔大学和日本国立材料科学研究所。

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中子星的力很强

大多数普通物质是由一种被称为强核力的看不见的亚原子胶水粘在一起的。强核力是自然界的四种基本力之一,另外三种是重力、电磁力和弱力。强大的核力是原子核中质子和中子之间的推挽作用的原因,它能防止原子向内坍缩。

在原子核中,大多数质子和中子相距很远,物理学家可以准确地预测它们之间的相互作用。然而,当亚原子粒子如此接近,几乎彼此重叠时,这些预测就受到了挑战。

虽然这种超距相互作用在地球上的大多数物质中很少见,但它们定义了中子星和其他密度极高的天体的核心。自从科学家们开始探索核物理以来,他们一直在努力解释强核力是如何在如此超短的距离内发挥作用的。

现在,麻省理工学院和其他地方的物理学家首次描述了强核力,以及在极短距离内质子和中子之间的相互作用。

他们对之前的粒子加速器实验进行了广泛的数据分析,发现随着质子和中子之间的距离越来越短,它们之间的相互作用发生了惊人的转变。在远距离情况下,强核力的作用主要是把质子吸引到中子上,而在极短距离情况下,这种力基本上是不分青红皂白的:相互作用不仅可以把质子吸引到中子上,而且可以击退或推开成对的中子。

麻省理工学院(MIT)物理学助理教授奥尔•亨(Or Hen)表示:“这是首次非常详细地观察在非常短的距离内强核力的变化。”“这具有重大意义,主要是对中子星,以及对整个核系统的理解。”

Hen和他的同事今天在《自然》杂志上发表了他们的研究结果。他的合作者包括第一作者Axel施密特博士”16日前研究生和博士后和研究生杰克逊Pybus本科生属Hrnjic从麻省理工学院和额外的同事,希伯来大学,特拉维夫大学,老道明大学,和同学合作,多机构研究小组的科学家参与CEBAF大型加速器光谱仪(cla),粒子加速器在杰佛逊实验室在纽波特纽斯,弗吉尼亚州。

明星删除快照

质子和中子之间的超短距离相互作用在大多数原子核中是罕见的。探测它们需要用大量的高能电子撞击原子,其中一小部分可能有机会将一对以高动量运动的核子(质子或中子)踢出去——这表明粒子之间的相互作用必须在极短的距离内进行。

“要做这些实验,你需要疯狂的高电流粒子加速器,”Hen说。“直到最近,我们才有了探测器的能力,并充分了解了做这类工作的过程。”

Hen和他的同事们通过挖掘先前由CLAS收集的数据来寻找相互作用,CLAS是杰斐逊实验室的一个房子大小的粒子探测器;JLab加速器产生前所未有的高强度高能电子束。CLAS探测器从1988年到2012年一直在运行,从那以后,这些实验的结果就被研究人员用来寻找隐藏在数据中的其他现象。

在他们的新研究中,研究人员分析了大量的数据,相当于约千万亿电子撞击CLAS探测器中的原子核。电子束瞄准的是由碳、铅、铝和铁制成的箔片,每一种箔片的原子质子与中子的比例各不相同。当电子与原子中的质子或中子碰撞时,其散射的能量与相应核子的能量和动量成正比。

“如果我知道我踢东西有多用力,它出来的速度有多快,我就能重建被踢的东西最初的动量,”Hen解释道。

用这种通用的方法,研究小组观察了千万亿次电子碰撞,设法分离并计算了几百对高动量核子的动量。Hen把这些对比作“中子星液滴”,因为它们的动量和相互之间的推断距离,与中子星核心的密度极高的条件相似。

他们将每一对孤立的快照作为一个“快照”,并沿着动量分布组织了几百个快照。在这个分布的低端,他们观察到质子-质子对的抑制,这表明强核力的作用主要是在中高动量和短距离的情况下将质子吸引到中子上。

沿着分布,他们观察到一个转变:似乎有更多的质子之间,通过对称,中子中子对,这表明,在更高的动力,或者距离越来越短,强核力的行为不仅在质子和中子,而且在质子和质子和中子,中子。这种配对力被理解为本质上的排斥力,这意味着在短距离内,中子通过强烈的相互排斥相互作用。

施密特说:“在强大的核力中有一个排斥性核的想法是一种虚构的存在,但我们不知道如何到达那里,就像这个来自另一个领域的入口。”“现在我们有数据表明,这种转变就在我们眼前,这真的很令人惊讶。”

研究人员认为,强核力的这种转变有助于更好地确定中子星的结构。以前曾有证据表明,在中子星的外核中,中子大多是通过强引力与质子配对的。在他们的新研究中,研究人员发现了这样的证据:当粒子以更密集的结构排列并被更短的距离隔开时,强大的核力会在中子之间产生一种排斥力,在中子星的核心,这种排斥力有助于防止恒星向内坍缩。

少于一袋夸克

研究小组还有两个新发现。首先,他们的观察结果与一个惊人简单的模型预测相符,该模型描述了由于强大的核力而形成的短期相关性。另一方面,与预期相反,中子星的核心可以通过质子和中子之间的相互作用来严格描述,而不需要明确说明构成单个核子的夸克和胶子之间更复杂的相互作用。

当研究人员将他们的观察与强核力的几个现有的模型,他们发现了一个惊人的比赛从阿贡V18预测,模型开发的阿贡国家实验室的一个研究小组,认为18个不同的核子可能相互作用,因为它们越来越短的距离隔开。

这意味着,如果科学家想要计算中子星的属性,Hen说,他们可以使用这种特殊的Argonne V18模型来精确地估算出核心中成对核子之间的强核力相互作用。这些新数据也可以用来作为中子星核心建模的替代方法的基准。

研究人员发现最令人兴奋的是,同样的模型,正如它所写的,描述了核子在极短距离内的相互作用,而没有明确地考虑夸克和胶子。物理学家曾设想,在密度极高、混乱不堪的环境中,比如中子星核,中子之间的相互作用应该让位于夸克和胶子之间更复杂的作用力。因为该模型没有考虑这些更复杂的相互作用,而且由于它在短距离上的预测与该团队的观察相符,Hen说,中子星的核心可能可以用一种不那么复杂的方式来描述。

“人们认为这个体系密度太大,应该把它看作是夸克和胶子的混合物,”Hen解释道。“但我们发现,即使在密度最高的情况下,我们也可以用质子和中子来描述这些相互作用;它们似乎保持了自己的身份,没有变成夸克。所以中子星的核心可能比人们想象的要简单得多。这是一个巨大的惊喜。”

这项研究得到了美国能源部科学办公室核物理办公室的部分支持。

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该仪器可进行邮寄测试,以检测水中的重金属

铅、砷和其他重金属越来越多地出现在世界各地的水系统中,这是由于人类活动,例如使用杀虫剂,以及最近电子垃圾处理不当。长期暴露于这些污染物的微量水平,浓度为百万分之几,可使孕妇、儿童和其他脆弱人群的健康状况变得衰弱。

然而,监测水体中的重金属含量是一项艰巨的任务,尤其是在资源有限的地区。在这些地区,工人们必须收集许多公升的水,用化学方法保存样本,然后将它们运送到遥远的实验室进行分析。

为了简化监测过程,麻省理工学院的研究人员开发了一种名为SEPSTAT的方法,用于固相萃取、保存、储存、运输和分析痕量污染物。该方法是基于该团队开发的一种小型、用户友好的设备,该设备可以吸收水中的微量污染物,并将其保持在干燥状态,这样样品就可以很容易地从邮件中寄出,送到实验室进行进一步分析。

A whisk-like device lined with small pockets filled with gold polymer beads, fits inside a typical sampling bottle, and can be twirled to pick up any metal contaminants in water.
是一种类似搅拌器的装置,内衬小口袋,小口袋里装满了金聚合物珠子,适合放在一个典型的采样瓶里,可以转动它来检测水中的任何金属污染物。

该装置类似于一个小型的、可弯曲的螺旋桨或搅打器,安装在一个典型的取样瓶中。当在瓶中旋转几分钟后,仪器可以吸收水中样品中的大部分微量污染物。用户可以将设备风干,也可以用一张纸吸干,然后将其压平,装在信封里寄到实验室,科学家可以将其浸入酸性溶液中去除污染物,然后收集起来,供实验室进一步分析。

“我们最初是为印度设计的,但它教会了我很多关于美国自身的水问题和痕量污染物的知识,”设备设计师Emily Hanhauser说,她是麻省理工学院机械工程系的研究生。“例如,有人听说了密歇根州弗林特的水危机,现在想知道他们的水里有什么,可能有一天会在网上订购类似的东西,自己做测试,然后把它送到实验室。”

Hanhauser和她的同事最近在《环境科学与技术》杂志上发表了他们的研究结果。她在麻省理工学院的合著者是塔塔技术与设计中心和麻省理工斯隆管理学院的Chintan Vaishnav;机械工程副教授John Hart;以及机械工程教授、教育部副部长罗希特•卡尼克(Rohit Karnik),以及波士顿大学(Boston University)的迈克尔•博诺(Michael Bono)。

从茶包到搅拌器

该团队最初是为了了解印度的水监测基础设施。全国各地的地方实验室的工作人员收集了数以百万计的水样,这些水样具备进行基本水质分析的条件。然而,为了分析痕量污染物,这些地方实验室的工作人员需要用化学方法保存大量的水样,并将这些容器运送到数百公里外的各州首府,那里的中心实验室有适当分析痕量污染物的设施。

“如果你收集了很多这样的样本,并试图把它们带到实验室,这是一项非常繁重的工作,而且有一个显著的交通障碍,”Hanhauser说。

After the device is pulled out and dried, it can preserve any metal contaminants that it has picked up, for long periods of time. The device can be flattened and mailed to a lab, where the contaminants can be further analyzed.
在设备被拉出并干燥后,它可以长时间保存它捡起的任何金属污染物。该设备可以被压扁并邮寄到实验室,在那里污染物可以进一步分析。

为了简化水监测的后勤工作,她和她的同事想知道他们是否可以绕过运输水的需要,而是在干燥的状态下自己运输污染物。

他们最终在“干血点”中找到了灵感,这是一项简单的技术,包括刺破一个人的手指,在一张纤维素卡片上收集一滴血。在干燥后,血液中的化学物质是稳定的,可以保存下来,卡片可以邮寄出去做进一步的分析,从而避免了保存和运输大量血液的需要。

研究小组开始考虑建立一个类似的重金属收集系统,查阅文献寻找既能从水中吸收微量污染物,又能在干燥时保持稳定的材料。

他们最终选定了离子交换树脂,这是一种以小聚合物珠的形式出现的材料,有几百微米宽。这些珠子包含了与氢离子结合的分子群。当在水中浸泡时,氢会脱落,并可以与另一种离子(如重金属阳离子)交换,取代氢在珠上的位置。通过这种方式,珠子可以吸收水中的重金属和其他微量污染物。

研究人员随后寻找将珠子浸入水中的方法,并首先考虑一个类似茶包的设计。他们在一个网状的口袋里装满了珠子,然后把它浸在掺有重金属的水中。不过,他们发现,如果只是把茶包留在水里,这些珠子需要几天时间才能充分吸收污染物。当他们搅动茶包的时候,湍流在一定程度上加快了这一过程,但还是花了太长时间,才让装在一个大茶包里的珠子吸收了污染物。

最终,Hanhauser发现手持式搅拌设计在合理的时间内最好地吸收水中的金属污染物。该设备是由一个聚合物网格切割成几个螺旋桨一样的面板。在每个面板里,Hanhauser手工缝制了小口袋,里面装满了聚合物珠子。然后,她将每个面板缝在一个聚合物棒周围,使其看起来像一种打蛋器或打蛋器。

试水

研究人员制造了几个这样的装置,然后在波士顿周围收集的天然水样本上进行测试,包括查尔斯河和神秘河。他们在样本中加入各种重金属污染物,如铅、铜、镍和镉,然后在每个样本的瓶子里放入一个装置,然后用手转动瓶子来捕捉和吸收污染物。然后他们把这些设备放在一个柜台上晾干一夜。

为了从设备中回收污染物,他们将设备浸泡在盐酸中。溶液中的氢能有效地打掉附着在聚合物珠上的任何离子,包括重金属,然后可以用质谱仪等仪器收集和分析重金属。

研究人员发现,通过搅拌水样中的装置,该装置能够吸收并保存每个样品中94%的金属污染物。在他们最近的试验中,他们发现他们仍然可以检测污染物,并预测它们在原始水样中的浓度,精确度在10%到20%之间,甚至在设备处于干燥状态长达两年之后也是如此。

不足2美元的成本,研究人员认为,该设备可以促进交通集中的实验室样品,样品的采集和保存为未来的分析,和水质数据的采集以集中的方式,反过来,可以帮助确定污染来源,指导政策,使改进的水质管理。

研究人员现在已经与印度的一家公司合作,希望将该设备商业化。他们的项目最近被印度政府的阿塔尔新印度挑战项目(Atal New India Challenge program)从950多份提案中挑选出来,成为26份提案之一。

这项研究的部分资金由阿卜杜勒·拉蒂夫·贾米尔水和食品系统实验室、麻省理工学院塔塔中心和国家科学基金会提供。

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镜像芯片可以使手持暗场显微镜成为可能

用谷歌搜索暗场图像,你会发现一个由微生物组成的美丽而细致的世界。暗视野显微镜可以显示半透明细胞和水生生物的复杂细节,以及多面钻石和其他宝石,否则在典型的亮视野显微镜下会显得非常暗淡甚至看不见。

科学家们通过在标准显微镜上安装通常昂贵的组件,用一个中空的、高度倾斜的光锥来照亮样品台,从而生成暗场图像。当一个半透明的样品被置于暗场显微镜下时,光锥会分散样品的特征,从而在显微镜的照相机上形成样品的图像,与黑暗的背景形成鲜明的对比。

现在,麻省理工学院的工程师们已经开发出一种小型的镜像芯片,这种芯片可以在没有昂贵的专用元件的情况下产生暗场图像。这种芯片比邮票稍大一些,和信用卡一样薄。当放置在显微镜上时,这种芯片会发出一个中空的光锥,可以用来生成藻类、细菌和类似半透明的微小物体的详细暗场图像。

这种新的光学芯片可以被添加到标准显微镜中,作为传统暗视野元件的廉价缩小版替代品。这种芯片也可以安装在手持显微镜上,以产生野外微生物的图像。

麻省理工学院材料科学与工程系研究生Cecile Chazot说:“想象你是一名海洋生物学家。”“你通常需要带一大桶水到实验室进行分析。如果样品是坏的,你必须回去收集更多的样品。如果你有一个手持的暗场显微镜,当你出海时,你可以检查桶里的一滴液体,看看你是否可以回家,或者你是否需要一个新桶。”

Chazot是一篇详细介绍该团队新设计的论文的主要作者,该论文今天发表在《自然光子学》杂志上。她的合著者包括:萨拉·纳格伯格、伊戈尔·科罗普恰努、库尔特·布罗德里克、金永秋、蒙吉·巴文迪、彼得·苏、麻省理工学院的马蒂亚斯·科勒、帝国理工学院的克里斯托弗·罗兰兹、德国Papierfabrik Louisenthal GmbH的迈克·谢勒。

永远的荧光

在一项持续的努力中,科勒实验室的成员们正在设计材料和设备,这些材料和设备呈现出持久的“结构色彩”,不依赖于染料或色素沉着。相反,他们采用纳米和微尺度结构来反射和散射光线,就像小棱镜或肥皂泡一样。因此,它们可以根据其结构的排列或操作方式来改变颜色。

甲虫和蝴蝶的彩虹色翅膀、鸟类的羽毛、鱼鳞和一些花瓣上都可以看到结构色彩。受自然界中结构色彩的启发,Kolle一直在研究从微观结构角度操纵光线的各种方法。

作为这项工作的一部分,他和查索特设计了一个小型的三层芯片,他们原本打算把它用作微型激光器。中间层是芯片的光源,由注入量子点的聚合物制成。量子点是一种微小的纳米粒子,当受到荧光灯的刺激时就会发光。Chazot将这一层比作一个发光的手镯,两种化学物质的反应产生了光;只是这里不需要化学反应——只需一点蓝光就可以让量子点发出明亮的橙色和红色。

“在荧光棒中,这些化学物质最终会停止发光,”Chazot说。但量子点是稳定的。如果你要用量子点做一个手镯,它们会发光很长时间。”

在这个发光层上,研究人员放置了一个布拉格镜——一种由交替的纳米级透明材料层组成的结构,具有明显不同的折射率,意味着这些层反射入射光的程度。

Kolle说,布拉格镜扮演着某种“看门人”的角色,负责接收量子点发出的光子。镜子层的排列和厚度是这样的,它让光子从芯片中逸出,但只有当光线以较高的角度到达镜子时。到达较低角度的光被反射回芯片。

研究人员在产生光的层下面添加了第三个特性,以回收最初被布拉格镜拒绝的光子。第三层是由固体透明环氧树脂制成的,表面涂有一层反光的金膜,类似于一个微型的鸡蛋板条箱,上面有许多小孔,每个小孔的直径约为4微米。

Chazot在这个表面上覆盖了一层薄的高反射率金层——这是一种光学结构,可以捕捉任何从布拉格反射镜反射回来的光,然后将光反射回来,很可能以镜子允许的新角度反射回来。第三层的设计灵感来自蝴蝶翅膀的微观尺度结构。

Chazot说:“蝴蝶翅膀上的鳞片具有非常有趣的卵状结构,并有一个布拉格镜衬,这让它们拥有了彩虹般的颜色。”

一个光学转变

研究人员最初将这种芯片设计成一组微型激光源,认为它的三层可以一起工作来创建定制的激光发射模式。

麻省理工学院机械工程副教授Kolle说:“最初的项目是建立一个可单独切换的耦合微尺度激光腔的组装。”“但当塞西尔制造出第一个表面时,我们意识到,即使没有激光,它们也有一个非常有趣的发射轮廓。”

当Chazot在显微镜下观察这个芯片时,她注意到一个奇怪的现象:这个芯片只以高角度发射光子,形成一个中空的光锥。事实证明,当光子以一定的(高)角度到达布拉格反射镜时,布拉格反射镜的层厚度刚好能让光子通过。

“一旦我们看到这个空心的光锥,我们就会想:‘这个装置会有用吗?’”Chazot说。“答案是:是的!”

事实证明,他们已经将多个昂贵、笨重的暗视野显微镜组件的功能整合到一个小芯片中。

Chazot和她的同事们利用成熟的理论光学概念来模拟芯片的光学特性,从而优化其性能,完成这项新发现的任务。他们制作了多个芯片,每个芯片都能产生一个定制的角轮廓的光锥。

Chazot说:“不管你用的是什么显微镜,在所有这些微小的芯片中,有一个是可以实现你的目标的。”

为了测试这些芯片,研究小组收集了海水样本和大肠杆菌的非致病性菌株,并将每个样本放在芯片上,然后将芯片放在标准的亮场显微镜平台上。通过这种简单的设置,他们能够制作出单个细菌细胞以及海水中微生物的清晰而详细的暗视野图像,在明亮视野的照射下,这些微生物几乎是看不见的。

在不久的将来,这些暗场照明芯片可以批量生产,甚至可以为简单的高中级显微镜量身定制,以实现对低对比度、半透明的生物样品的成像。与Kolle实验室的其他工作相结合,该芯片也可以用于小型暗场成像设备,用于现场的诊断和生物分析。

陆军研究办公室士兵纳米技术研究所的项目经理James Burgess说:“这是一个关于基于发现的创新的精彩故事,通过给普通显微镜配备这种技术,它有可能在科学和教育领域产生广泛的影响。”“此外,在光学放大下生物和无机材料成像中获得高对比度的能力可以被整合到陆军医疗中心实验室和战场上识别新的生物威胁和毒素的系统中。”

这项研究得到了美国国家科学基金会、美国陆军研究办公室和美国国立卫生研究院的部分支持。

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材料的绝缘性能可以随意调整

材料的电子和磁性能可以通过应用电子输入来显著改变,形成所有现代电子的支柱。但是,对任何材料的热导率实现同样的可调控制一直是一个难以实现的目标。

现在,麻省理工学院的一组研究人员向前迈出了一大步。他们设计了一种寻找已久的装置,他们称之为“电热阀”,可以根据需要改变热导率。他们证明,这种材料的导热能力在室温下可以“调整”10倍。

这项技术有可能为智能窗户、智能墙壁、智能服装、甚至是收集废热能量的新方法的可控隔热新技术打开大门。

这项研究结果发表在今天的《自然材料》杂志上,由麻省理工学院的比尔格·耶尔德兹和陈刚教授、新近毕业的卢启阳博士(18岁)和塞缪尔·胡伯曼博士(18岁)以及麻省理工学院和布鲁克海文国家实验室的其他六位教授共同撰写。

热导率描述了热在材料中的传递情况。例如,这就是为什么你可以很容易地拿起一个木制把手的热煎锅,因为木头的导热系数很低,但是你可能会因为拿起一个类似的金属把手的煎锅而烧伤,因为金属把手的导热系数很高。

研究人员使用了一种叫做氧化锶钴(SCO)的材料,这种材料可以制成薄膜。通过向SCO中添加一种叫做褐粉玄武岩的晶体形式的氧,热导率提高了。加入氢会导致电导率下降。

添加或去除氧和氢的过程可以简单地通过改变施加到材料上的电压来控制。本质上,这个过程是由电化学驱动的。总的来说,在室温下,研究人员发现这个过程使材料的热传导产生了十倍的变化。研究人员说,以前从未在任何材料中发现过如此数量级的电可控变化。

在大多数已知的材料中,导热系数是不变的——木材导热不好,金属导热不好。因此,当研究人员发现在一种材料的分子结构中加入某些原子实际上可以增加其导热系数时,这是一个出乎意料的结果。如果有什么不同的话,增加额外的原子——或者更具体地说,离子,被剥夺了一些电子的原子,或者带有多余电子的原子,给它们一个净电荷——应该会使电导率变差(事实证明,这是增加氢时的情况,而不是增加氧时的情况)。

“当我看到这个结果时,我很惊讶,”陈说。但在对该系统进行了进一步研究之后,他说,“现在我们对这种意想不到的现象发生的原因有了更好的理解”。

事实证明,将氧离子注入到棕褐色砂石SCO的结构中,会使它转变成一种钙钛矿结构,这种结构比原来的结构更加有序。“它从一个低对称结构变成了一个高对称结构。它还减少了所谓的氧空位缺陷位点的数量。这些一起导致了它更高的热传导,”Yildiz说。

热很容易通过这种高度有序的结构传导,而它往往被高度不规则的原子结构散射和消散。相比之下,引入氢离子会导致更无序的结构。

“我们可以引入更多的秩序,从而增加导热系数,或者我们可以引入更多的无序,从而导致更低的导热系数。除了我们的实验,我们还可以通过计算建模来解决这个问题。”Yildiz解释道。

她补充说,虽然在室温下,导热系数可以变化10倍左右,但在较低的温度下,变化甚至更大。

这种新方法使连续地在两个方向上改变那个阶数成为可能,只需改变施加在薄膜材料上的电压即可。该材料要么浸入离子液体(本质上是一种液体盐),要么与固体电解质接触,当电压打开时,固体电解质向材料提供负氧离子或正氢离子(质子)。在液体电解质的情况下,氧和氢的来源是从周围空气中水解水。

Yildiz解释说:“我们在这里展示的实际上是一个概念的演示。”它们需要使用液体电解质介质来进行全范围的加氢和充氧,这一事实使得这种版本的系统“不容易适用于全固态设备,”她说,这将是最终的目标。还需要进一步的研究来制作一个更实用的版本。“我们知道有固态电解质材料”理论上可以代替液体,她说。该团队正在继续探索这些可能性,并展示了工作装置与固体电解质以及。

陈说:“在很多应用中,你都想调节热流。“例如,能源存储以热量的形式,从太阳能集热装置等,这将是有用的有一个容器,可以高度绝缘的保留,直到所需的热量,但随后可能转向高度导电时获取热能。“圣杯是我们可以用来储存能量的东西,”他说。“那是梦想,但我们还没有实现。”

但这是一项新发现,可能还有其他多种潜在用途。Yildiz说,这种方法“可以打开我们以前没想到的新应用程序”。虽然这项工作最初仅限于SCO材料,但“这一概念也适用于其他材料,因为我们知道,我们可以通过电化学的方法对一系列材料进行氧化或氢化,”她说。此外,虽然这项研究的重点是改变热性能,但同样的过程实际上还有其他影响,陈说:“它不仅改变了导热系数,还改变了光学性能。”

“这是一种真正创新和新颖的方法,使用离子插入和提取固体来调节或切换热导率,”奥地利维也纳大学(University of Vienna)化学技术和分析学教授于尔根·弗莱格(Juergen Fleig)说,他没有参与这项研究。“测量的效应(由两个相变引起)不仅非常大,而且是双向的,这是存在的。令我印象深刻的是,这些工艺在室温下工作得如此之好,因为这种氧化材料通常是在更高的温度下操作的。”

加州大学洛杉矶分校(University of California at Los Angeles)机械与航空航天工程副教授胡永杰(Yongjie Hu)也没有参与这项研究。这是一项非常激动人心的研究,也是实现这一目标的重要一步。这是第一份详细研究三态相结构和热性能的报告,可能为热管理和能源应用开辟新的领域。”

研究团队还包括麻省理工学院的张汉涛、宋启辰、王杰佑和瓦达尔,以及纽约厄普顿布鲁克海文国家实验室的艾德里安·亨特和伊拉德维纳利·瓦鲁约。这项工作得到了美国国家科学基金会和美国能源部的支持。

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化学家研究蛋白质是如何形成它们的形状的

当蛋白质最初在我们的细胞中产生时,它们通常以松散的链条形式存在,直到特殊的细胞机制帮助它们折叠成正确的形状。只有实现了这种正确的结构,大多数蛋白质才能发挥它们的生物学功能。

许多疾病,包括遗传性疾病如囊性纤维化和脆性骨病,以及神经退行性疾病如阿尔茨海默病,都与蛋白质折叠过程中的缺陷有关。最近获得终身教职的化学系副教授马特·海尔斯(Matt Shoulders)正试图了解蛋白质折叠在人类细胞中是如何发生的,以及它是如何出错的,以期找到预防与蛋白质错误折叠有关的疾病的方法。

“在人类细胞中,有成千上万的蛋白质。绝大多数的蛋白质最终必须达到某种明确的三维结构才能发挥它们的功能。“蛋白质错误折叠和蛋白质聚集经常发生,即使在健康细胞中也是如此。我的研究小组的兴趣在于细胞如何在正确的时间和地点将蛋白质折叠成一种功能性构象,这样它们才能保持健康。”

在他麻省理工学院的实验室里,Shoulders使用了多种技术来研究“蛋白稳定网络”,该网络由大约1000种成分组成,这些成分协同作用,使细胞能够维持正确的蛋白质构象。

“蛋白质稳定非常重要。如果它坏了,你就会生病,”他说。“在细胞中有整个系统帮助客户蛋白质得到它们需要的形状,如果折叠失败,系统会做出反应,尝试解决问题。如果不能解决,这个网络就会主动处理错误折叠或聚合的客户蛋白。”

建立新的结构

他在阿巴拉契亚山脉长大,母亲和五个兄弟姐妹让他在家上学。他家住在弗吉尼亚布莱克斯堡附近的一个小农场里,他的父亲是弗吉尼亚理工大学的会计学教授。

“我们家有个规定,孩子们饭后要帮忙打扫厨房。我讨厌这样做,”他回忆道。“对我来说幸运的是,有一个例外:如果我们有同伴,如果你是在和同伴进行成人谈话,你可以不用打扫厨房。所以我花了很多时间,从5、6岁开始,在晚饭后和我爷爷谈论化学。”

在附近的弗吉尼亚理工大学上学之前,海尔斯曾做过几年木匠。

“那时候我发现我真的很喜欢做东西,”他说。“当我上大学的时候,我就在考虑要进入哪些领域,我意识到化学是一个机会,可以把我已经开始觉得非常令人兴奋的两件事结合起来——建造东西,但同时也在分子水平上思考。化学家们所做的很大一部分工作是通过以不同的方式连接原子来制造出以前从未有过的东西。”

在大学期间,Shoulders曾在化学教授Felicia Etzkorn的实验室工作,研究合成复杂新分子的方法,包括模拟蛋白质功能的稳定肽。在威斯康星大学(University of Wisconsin)读研究生时,他曾与罗纳德•雷恩斯(Ronald Raines)教授共事,后者目前在麻省理工学院(MIT)任教。在威斯康辛,Shoulders开始研究蛋白质生物物理学,重点关注控制蛋白质结构的物理和化学因素以及结构的稳定性。

在他的研究生研究中,Shoulders分析了蛋白质在试管中是如何折叠的。完成博士学位后,他决定深入研究蛋白质在自然环境中是如何折叠的:活细胞。

“试管实验是获得一些洞察力的好方法,但最终,我们想知道生物系统是如何工作的,”Shoulders说。为此,他去了斯克里普斯研究所(Scripps Research Institute),与杰弗瑞·凯利(Jeffery Kelly)和卢克·怀斯曼(Luke Wiseman)教授一起做博士后研究。

像阿尔茨海默病和帕金森氏病这样的神经退行性疾病可能是最著名的蛋白质错误折叠疾病,但还有成千上万的其他疾病,其中大多数影响人数较少。凯利、怀斯曼和许多其他人,包括已故的麻省理工学院生物学教授苏珊·林德奎斯特(Susan Lindquist),已经证明,蛋白质的错误折叠与应激反应中涉及的细胞信号通路有关。

“当蛋白质折叠出错时,这些信号通路会识别并试图解决问题。如果他们成功了,那么一切都很好,但如果他们失败了,那几乎总是会导致疾病。”

破坏蛋白质折叠

自从2012年加入麻省理工学院以来,Shoulders和他的学生已经开发了许多化学和基因技术,首先扰乱蛋白稳定网络的不同方面,然后观察蛋白质折叠是如何受到影响的。

在一项重大努力中,肩部实验室正在探索细胞如何折叠胶原蛋白。胶原蛋白是结缔组织的重要组成部分,是人体中含量最丰富的蛋白质,含有4000多种氨基酸,体积也相当大。有多达50种不同的疾病与胶原蛋白的错误折叠有关,而且大多数都没有有效的治疗方法,Shoulders说。

另一个重要的研究领域是蛋白质的进化,特别是病毒蛋白质。肩部和他的团队已经证明,流感病毒的快速进化部分依赖于它们劫持其感染的宿主细胞的蛋白质稳定网络的某些组成部分的能力。没有这些帮助,流感病毒几乎不能快速适应。

长远来看,Shoulders希望他的研究将有助于发现治疗由异常蛋白折叠引起的疾病的新方法。从理论上讲,恢复参与折叠的单一蛋白质的功能,可能有助于治疗与折叠不当相关的多种疾病。

他说:“你可能不需要针对每种疾病使用一种药物——你可能能够开发出一种治疗多种不同疾病的药物。”“现在还有些猜测。我们仍然需要更多地了解蛋白质稳态网络功能的基础知识,但仍有很多希望。”

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3个问题:麻省理工学院的生活质量调查在这里

麻省理工学院(MIT)启动了最新一期的“生活质量调查”(Quality of Life Survey),这是一个大型项目,旨在征求学生、员工和教职员工对一系列校园问题(从社会问题到学术和职场问题)的反馈。在麻省理工学院家庭与工作委员会和学院研究机构的监督下,2020年版是第一个同时从学生、教师和工作人员中获得反馈的版本;以前,对不同的校园群体分别进行了调查。

《麻省理工学院新闻》采访了三位参与“2020年生活质量调查”的领导人:艾米·格莱斯梅尔,城市研究与规划系教授,同时也是麻省理工学院家庭与工作委员会的联合主席;Ken Goldsmith,建筑与规划学院金融与规划副院长,麻省理工学院家庭与工作委员会联席主席;还有莉迪亚·斯诺弗,麻省理工学院机构研究主任。

问:什么是生活质量调查?

戈德史密斯:这是人们在麻省理工学院生活中满意度的晴雨表。这是一种观察是什么影响了人们的生活的方式。最终,我们的工作是查看数据,并确定我们是否可以在麻省理工学院采取措施来解决这些需要关注的领域。

Glasmeier:最基本的问题与每个人都完全相关,包括老师、员工和学生。它们是关于工作中的友谊和学生之间的友谊,关于获得你需要的资源来做好你的工作,关于被你工作的人欣赏,以及你是否被你周围的人欣赏。

斯诺弗:最初的调查主要是关于儿童保育的。但还不止这些,因为不是每个人家里都有孩子。儿童看护很快就带来了老年人看护的问题。我们询问人们是否感到舒适。我们非常关心人们是否有包容的工作和学习环境。有关于性别认同、性行为、残疾等问题,这些问题将使我们更好地理解与这些独特群体相关的问题。最后,这份调查探讨了工作和非工作生活的交集,以及两者之间的相互影响。

Glasmeier:当我们完成的时候,我们的结果将会告诉我们麻省理工学院可以为这里的人们提供什么样的体验和好处。研究结果将被用来了解人们如何工作和管理他们的学习,哪些障碍可能会阻碍他们的发展,以及哪些机会能让他们做到最好。例如,在2016年,我们感兴趣的是人们在执行他们的工作时想要的灵活性,以及他们有多大的灵活性。因此,我们做了实验,在研究所的不同部门,人们现在可以在一个灵活的工作环境中工作,而不必以复杂的方式进行协商。

问:协会采取了什么措施来解决受访者的隐私和安全问题?

Snover:机构研究办公室对来自社区反馈的数据负有最终责任。数据是安全存储的,只有经过人类研究训练的非常有经验的分析师才能访问数据。所有结果最初都是由机构研究人员以保护个人隐私的方式报告的。随后使用数据的人只能访问聚合结果。调查中有几个开放式问题,受访者被告知这些评论将被逐字阅读,并被建议不要包含任何身份信息。我们经常被告知,人们担心他们的主管、部门主管或高级官员会看到他们的个人回复。他们不会。个人的回复不会成为任何人永久记录的一部分。

戈德史密斯:保密性是一个敏感话题,我们必须强调,机构研究办公室是这个信息的保险箱。

斯诺弗:我们致力于结果的透明度,但我们同样致力于为受访者保密。

问:生活质量调查的回答期结束后会发生什么?

Glasmeier:我们要写一些简短的分析报告,总结一下结果。这些将解决人们在这里的具体问题和经历。我们与麻省理工学院工作生活中心和人力资源部门合作,他们是政策的设计者和执行者。到目前为止,我们已经非常成功地将变化融入到人们所拥有的各种利益或经验中。

现在在研究副总裁办公室里的博士后项目就是一个很好的例子。他们(博士后)对这里的情况非常坦率,(努力地)负担起照顾孩子的费用,以及其他一切。以前的调查也显示了同样的结果,这些问题已被认真对待,并纳入了研究副总裁办公室的[博士后服务]规划。

戈德史密斯:家庭与工作委员会正在关注整个社区。在这个社区中有一些部门——博士后、女教师、初级教师、初级女教师等等——这些都是我们希望关注和回应的领域。调查人群包括林肯实验室和在校员工。我们强烈希望能听到尽可能多的人的意见。

Glasmeier:我们参观了校园里尽可能多的团体,包括研究生会,本科生,院长小组,工作人员问题工作组,以及个别的高级官员,我们真的很受鼓舞。人们对了解麻省理工学院社区的人们如何看待他们的工作和工作之外的生活有着浓厚的兴趣。麻省理工是一个伟大的地方,但每个地方都可以进步。

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短暂的入侵者如何改变一个生态系统

当一个植物或动物物种被引入到一个没有天敌的新环境时,它会不受控制地蔓延,改变生态系统,排挤现有的种群。一个著名的例子是甘蔗蟾蜍,它于1935年被引入澳大利亚,现在其数量已达数百万。

当入侵者到来,改变了生态系统,然后灭绝时,就会出现一个相关但不太为人所知的场景。麻省理工学院的物理学家们现在已经证明了这种“短暂入侵”是如何在细菌种群中发生的,它引发了一种从一个稳定的群落状态到另一个稳定的群落状态的转变,而入侵者本身却消失了。

“这些结果强调了一种可能的方式,即即使一个物种不能长期生存,它也可能对社区产生长期影响,”麻省理工学院(MIT)物理学副教授、该研究的资深作者杰夫·戈尔(Jeff Gore)说。

这些发现可能还有助于解释短暂的入侵者是如何影响现实世界的生态系统的,比如在通过消化道之前改变人类肠道微生物群的细菌,或者在一个岛屿上放牧的驯鹿会彻底地破坏森林,以至于岛上的生物无法在那里生存。

麻省理工学院博士后丹尼尔·阿莫是这篇论文的主要作者,该论文发表在今天的《科学进展》杂志上。麻省理工学院的研究科学家Christoph Ratzke也是这项研究的作者之一。

稳定的数量

该研究小组最初的目的是探索促使生态系统在两种稳定状态之间切换的因素。许多生态系统可以以另一种稳定状态存在,但其中一个可能比另一个更“可取”,比如一个湖泊可以是健康的或富营养化的(过度覆盖藻类)。例如,大约5000年前,撒哈拉地区从湿润的草原变成了沙漠。

“驱动这些转变的机制,以及我们能否控制它们,都不是很清楚,”阿莫说。

戈尔的实验室通过创造可以在实验室中分析的简化版本,研究控制这些复杂的生态变化的原理。在这种情况下,研究人员研究了两种细菌的种群——氨细菌棒状杆菌和植物乳杆菌——它们通过改变环境中生长介质的pH值来抑制彼此的生长。这种相互的抑制导致群落的两种不同状态,其中一种占优势。

研究人员首先让细菌种群自然地达到一个稳定的状态,在这个状态中,一个物种控制了整个群落。一旦种群稳定下来,研究人员引入一种入侵者,并测量它是如何影响先前稳定的种群的。

研究人员研究的六种入侵物种中,有三种进行了接管,改变了生态系统的整体种群动态,但随后灭绝了。研究人员发现,这种现象是由于环境酸度的变化造成的。

植物L.在原稳定状态下,使环境呈酸性,抑制了C.菊石的生长。在酸性环境中茁壮成长的入侵者一旦被引入,就会迅速成长。然而,对于这些入侵者,它们的快速生长产生代谢副产物,提高pH值,使环境对它们和植物L. plantarum不太适宜。结果,C.鹦鹉螺取而代之,入侵者消失了。

然后,研究人员探索这种现象是否可以在自然产生的细菌种群中看到。他们采集了土壤样本,培养了他们发现的细菌种类,让这些群落在实验室的新环境中达到各种替代的稳定状态。在引进了他们在早期实验中使用的相同的入侵者之后,他们观察到相似的入侵者快速增长然后消失的模式,同时原始群落的组成也发生了变化。

“这表明,这不是一种罕见的效应,我们只能在假设引导的实验中观察到,在自然环境中也是如此,”Amor说。

芝加哥大学(University of Chicago)生态学和进化学教授斯特凡诺·阿莱西纳(Stefano Allesina)称这些实验“优雅而有力”。

这项工作对微生物群落的控制有着明显的重要意义。能够从一个不利的微生物群落状态转换到一个有利的是其中最重要的挑战之一,和麻省理工学院的团队已经表现出瞬态入侵者可能是完美的“开关”——他们做他们的工作,然后消失,“Allesina说。他没有参与这项研究。

快速灭绝

研究人员说,虽然一个物种会创造导致其自身灭亡的条件,这似乎违反直觉,但这在自然界中可能经常发生。在2018年发表的一篇论文中,戈尔和他的两名同事描述了几种细菌的“生态自杀”,它们的生长速度如此之快,以至于当地的环境被酸性废物污染得无法生存。

出现这种情况的部分原因是,允许个体快速生长的基因突变可以在群体中迅速传播,即使它会损害环境。

戈尔说:“有很多物种会以这种方式改变环境,从而导致人口迅速灭绝。”“在某些情况下,缓慢生长和不污染环境的策略可能在进化上并不稳定,因为突变体只是利用了环境,但它很好,生长迅速,导致大量的毒素产生。”问题是,虽然每个人这样做在短期内是合理的,但对整个群体来说,结果却不是最优的。”

戈尔说,他希望这些发现能鼓励那些研究更复杂生态系统的科学家,比如湖泊或人类肠道微生物群,去寻找这些短暂入侵的类型及其后果。

他说:“这些复杂系统的本质是,它们可能会有点势不可挡。”“你甚至不知道你应该在数据中寻找什么,或者你应该做什么样的实验。我们希望我们的一些工作可以激励其他人在他们的系统中寻找这种现象。”

这项研究由麻省理工学院材料研究实验室管理的美国国立卫生研究院资助。

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迈克尔•西珀尔(Michael Sipser)将辞去理学院院长一职

迈克尔•斯伯泽(Michael Sipser)计划辞去麻省理工学院(MIT)理学院(School of Science)院长一职,结束6年的任职生涯。在这6年里,该学院推出了多项关键举措,并对6个院系的设施进行了升级。

教务长马丁·施密特今天在发给麻省理工学院社区的邮件中宣布了这一消息。斯伯瑟将于6月30日卸任院长一职,前提是届时找到合适的继任者。在此之后,斯伯瑟将重返学院,担任唐纳数学教授。

施密特写道:“作为院长,迈克的成就跨越了科学学院,并在研究和教育领域建立了自己的实力,这往往是通过增加科学在合作研究的关键领域的影响力实现的。”

拥有280名教职员工的理学院是麻省理工学院的第二大学院。它包括生物系;大脑与认知科学;化学;地球、大气和行星科学;数学;和物理。

“作为院长,迈克卓越的服务品质体现在三个方面:他周到、耐心、公正地处理复杂的组织和人事问题;他在解释、倡导和分享他人科学工作中富有感染力的快乐方面的出色能力;还有他绝对令人愉快的幽默感,”总统l拉斐尔赖夫(L. Rafael Reif)说。“麻省理工学院和理学院非常幸运地拥有迈克的领导,我们的学生从他担任院长期间对教学的承诺中受益无穷——我可以证明,他亲自教了我多少关于科学知识前沿的知识。”

2014年6月,领先的理论计算机科学家Sipser被任命为院长,此前他担任了6个月的临时院长。在此之前,他从2004年开始担任数学系主任。

“我最高兴的是,通过提供资源、促进进步、消除障碍和为他们的成功欢呼,我为理学院的社区工作——教师、员工和学生——提供了帮助,”斯伯瑟说。“我很荣幸能支持这些了不起的同事。”

作为院长,Sipser的主要成就包括:

  • 协助发起“老化大脑计划”(Aging Brain Initiative),这是一项以大脑与认知科学部(Department of Brain and Cognitive Sciences)和皮考尔学习与记忆研究所(Picower Instutute for Learning and Memory)为中心的跨学科努力,旨在了解和开发与年龄相关的神经退行性疾病的治疗方法,如阿尔茨海默病(Alzheimer’s)和帕金森病(Parkinson’s);
  • 通过创建麻省理工学院统计和数据科学中心,即现在的麻省理工学院数据、系统和社会研究所,在麻省理工学院倡导建立一个统计之家;
  • 作为麻省理工学院大脑、心智和机器中心的产物,参与麻省理工学院智能探索项目的设计;
  • 与数学系合作,为来自弱势群体和弱势背景的高潜力高中生提供“MathROOTS”项目;
  • 协助生物学系在麻省理工建立低温电子显微镜设备。该研究所最先进的纳米技术研究中心nano于2018年开放;
  • 协助化学系使其共用的仪器设备现代化;
  • 帮助地球、大气和行星科学系的天文学教员为马萨诸塞州韦斯特福德的华莱士天体物理天文台购买一架新的望远镜;和
  • 与物理系和麻省理工学院Kavli空间研究所合作,为一款宽视场红外摄像机获得国家科学基金会主要研究仪器拨款。

Sipser曾多次获得麻省理工学院颁发的教学和咨询奖项。2016年,在担任院长期间,他获得了麻省理工学院玛格丽特•麦克维卡教员奖学金(MIT Margaret MacVicar Faculty Fellowship),以表彰他对本科教育的杰出贡献。

作为美国艺术与科学学院的研究员,西伯尔在1996年首次出版了被广泛使用的教科书《计算理论导论》。1974年他在康奈尔大学获得数学学士学位,1980年在加州大学伯克利分校获得工程学博士学位。1979年,他以研究助理的身份加入麻省理工学院计算机科学实验室,并于1980年成为应用数学助理教授;1983年任应用数学副教授;1989年任应用数学教授。

施密特在给社区的信中说,他计划任命一个教职工委员会,就下一任理学院院长的人选向他提供建议。麻省理工学院鼓励社区成员向[email protected]发送建议和想法。

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