Absolute quantum yield measurements of fluorescent proteins using a plasmonic nanocavity

One of the key photophysical properties of fluorescent proteins that is most difficult to measure is the quantum yield. It describes how efficiently a fluorophore converts absorbed light into fluorescence. Its measurement using conventional methods become particularly problematic when it is unknown how many of the proposedly fluorescent molecules of a sample are indeed fluorescent (for example due to incomplete maturation, or the presence of photophysical dark states). Here, we use a plasmonic nanocavity-based method to measure absolute quantum yield values of commonly used fluorescent proteins. The method is calibration-free, does not require knowledge about maturation or potential dark states, and works on minute amounts of sample. The insensitivity of the nanocavity-based method to the presence of non-luminescent species allowed us to measure precisely the quantum yield of photo-switchable proteins in their on-state and to analyze the origin of the residual fluorescence of protein ensembles switched to the dark state

Усовершенствованная модель прессования порошковой смеси в валковом прессе

A new mathematical model of mineral fertilizer compacting using a roll compactor is developed. This model is based on the transition to the values of stress tensor components averaged over the cross-sectional area of the powder mixture flow. To define these stresses, equations of equilibrium of the elementary layer determined in the mixture by two planes perpendicular to the flow direction are composed. To obtain relatively simple analytical relations in the calculations, the hypothesis of a power-law dependence of hydrostatic pressure on mixture density, accepted in the framework of the Johansen model, was used. In order to take into account changes in the mechanical characteristics of the mixture (angle of internal friction, coefficient of external friction, transverse strain coefficient) while compacting, we approximated the known experimental dependencies of the corresponding characteristics on the density. The inter-particle cohesion parameter was taken to be proportional to the hydrostatic pressure. The model allows calculating the gap between the rolls surfaces for a given initial bulk density and the required flake density. With the known gap value, the distribution of the axial average stresses in the powder mixture, the normal and shear stresses on the rolls’ surfaces are determined. The results of the calculations of the rolls surface gap and the normal roll pressure diagram are compared with the experimental data given in the literature for the urea compacting process.Разработана математическая модель прессования минерального удобрения на валковом прессе. Данная модель основана на переходе к усредненным по площади поперечного сечения потока порошковой смеси значениям компонент тензора напряжений. Для определения этих напряжений составляются уравнения равновесия элементарного слоя, выделяемого в смеси двумя плоскостями, перпендикулярными к направлению потока. Для обеспечения возможности получения относительно простых аналитических соотношений при расчетах использована принятая в рамках модели Йохансена гипотеза о степенной зависимости гидростатического давления от плотности смеси. Для учета изменения механических характеристик смеси (угла внутреннего трения, коэффициента внешнего трения, коэффициента поперечной деформации) в процессе прессования производилась аппроксимация известных экспериментальных зависимостей соответствующих характеристик от плотности. Параметр межчастичного сцепления принимался пропорциональным гидростатическому давлению. Модель позволяет вычислить значение зазора между поверхностями валов при заданных значениях исходной насыпной плотности смеси и требуемой плотности плитки. При известном значении зазора устанавливаются распределения осевых усредненных напряжений в порошковой смеси, нормального и сдвигового напряжений на поверхности валов. Результаты расчетов зазора между поверхностями валов и эпюры нормального давления на вал сопоставлены с приведенными в литературных источниках экспериментальными данными для процесса прессования мочевины

Моделирование радиальных колебаний подпружиненного валка вальц-пресса

Carried out simulation of oscillations of a spring-loaded roll in a roll compactor when interacting the powder being compacted with the rolls. Considering the separation of the feed and compaction areas in the contact area of the roll with the material being compacted, we obtain the dependence of the force acting on the roll on the gap size between the rolls. It is shown that this dependence is non-linear, and it can be described with a sufficiently high accuracy degree by an exponential function with a negative exponent in the working range. The given numerical solution of the equation of free nonlinear oscillations of the spring-loaded roll has shown that considering the deformation of the material being compacted leads to a reduction of the natural frequency of the system by 20–25 % compared to the case, where the pressure force of the powder on the roll is assumed to be independent of the gap size. The nonlinearity of the dependence of the pressure force on the gap also leads to the increase by 10 % in the calculated values of the maximum displacements. The developed approach to the calculation of oscillations of the spring-loaded roll in the roll compactor enables to take into account the peculiarities of deformation of the powder being compacted during its interaction with the rolls. In addition, it allows estimating the frequencies and oscillation amplitudes and setting the optimum range of spring rate values, at which the occurrence of resonance in the machine is not possible.Выполнено моделирование колебаний подпружиненного валка вальц-пресса при взаимодействии прессуемого порошка с валками. С учетом выделения в области контакта валка с прессуемым материалом зон подачи и прессования, получена зависимость силы, действующей на валок, от величины зазора между валками. Показано, что эта зависимость имеет нелинейный характер, причем в рабочем диапазоне с достаточно высокой степенью точности может быть описана степенной функцией с отрицательным показателем степени. Приведено численное решение уравнения свободных нелинейных колебаний подпружиненного валка, которое продемонстрировало, что учет деформирования сжимаемого материала приводит к снижению частот собственных колебаний системы на 20–25 % по сравнению со случаем, при котором сила давления порошка на валок принимается не зависящей от величины зазора. Нелинейность зависимости силы давления от зазора приводит также к увеличению на 10 % расчетных значений максимальных смещений. Разработанный подход к расчету колебаний подрессоренного валка вальц-пресса позволяет учесть особенности деформирования прессуемого порошка при его взаимодействии с валками, а также позволяет, наряду с оценкой частот и амплитуд колебаний, установить оптимальный диапазон значений коэффициента жесткости пружины, при котором появление резонанса в машине будет невозможно

Технологические барьеры при высокоинтенсивных воздействиях в процессах послойного синтеза и обработки материалов

The technological methods of laminate synthesis with operated inheritance of characteristics of material, using the technological barriers in the processes of high-intensive treatment, are determined on basis of dominants characteristics of functional layers.На базе передачи доминирующих свойств функциональных слоев рассмотрены технологические методы послойного синтеза с управляемым наследованием свойств материала, использующие технологические барьеры в процессах высокоинтенсивной обработки

Расчет эффективных механических характеристик подработанного массива горных пород

An approach has been developed to construct functional expressions for calculating the effective mechanical characteristics of the undermined rock massif during its repeated mining, taking into account the disturbance of the different-type massif continuity and the time passed after the undermining. The approach was developed as applied to the conditions of the Starobin potash salt deposit. It is based on introducing special correction factors into the expressions for mechanical characteristics of the massif. At the same time, the state of the undermined massif area is considered in the continuum model approximation. It is shown that one of the most important factors to be considered when constructing the functional dependence for mechanical characteristics of the undermined layered massif is to take into account the mutual slippage of layers and their lamination related to it, because the strength characteristics such as bonding strength and internal friction coefficient mainly change when the massif is undermined. The algorithm for calculating the mechanical properties of the undermined massif proposes the use of correction factors that take into account the heterogeneity of the rock massif; lamination and slippage of the contacting layers; changes in the properties of the undermined massif with variation of the depth of repeated mining; changes in the properties resulting from the technological disturbance of the massif initial equilibrium state (primary undermining, time passed since the primary undermining).Разработан подход к построению функциональных выражений для расчета эффективных механических характеристик подработанного массива горных пород при его повторной подработке с учетом нарушений сплошности массива различного характера и времени, прошедшего после подработки. В основу подхода положено введение специальных поправочных множителей в выражения для механических характеристик массива. При этом состояние подработанной области массива рассматривается в приближении моделей сплошных сред. Показано, что одним из важнейших факторов, который требуется учитывать при построении функциональной зависимости для механических характеристик подработанного слоистого массива, является учет взаимного проскальзывания слоев и связанного с ним их отслоения, так как при подработке массива главным образом изменяются такие прочностные характеристики, как сцепление и коэффициент внутреннего трения. Алгоритм расчета механических характеристик подработанного массива предлагает использование поправочных множителей, учитывающих неоднородность массива горных пород; расслоение и проскальзывание контактирующих слоев; изменения свойств подработанного массива при изменении глубины повторной отработки, изменение свойств в результате технологического нарушения естественного равновесного состояния массива (первичная подработка, время, прошедшее со времени первичной подработки)

Критерии предельного состояния и прочностные характеристики повторно подрабатываемых массивов горных пород

Methodological approaches to the selection of ultimate state criteria and strength characteristics of the repeatedly undermined rock massifs were developed. These approaches were designed to provide parametric support to the geomechanical modelling of the massif stress-strain state and the mining systems of the Starobin potash deposit mine fields planned for the additional mining of the mineral reserves left. It was established that a complex criterion must be used to study the massif ultimate state. Determination of such criterion can be carried out using the developed approaches. The first approach is to select several criteria that evaluate the massif ultimate state by certain types of the massif stress-strain state. These criteria are the following: the criterion of the maximum normal stresses, criterion of the maximum linear strains, the criterion of the maximum shear stresses and the Coulomb–Mohr failure criterion. The second approach is to construct an integrated failure state criterion for materials whose ultimate tensile and compressive stresses differ significantly. In this case, parameters characterizing the type of stress state and properties of the material are introduced. These parameters together determine the destruction character – tear or shear. To describe the rocks behavior in the extreme strength stage of deformation, it is proposed to apply deformation theory of strength using the developed strain failure criterion. When calculating the strength characteristics of the repeatedly undermined rock massif, it is recommended to use a structural attenuation coefficient as the product of several factors, taking into account various types of disturbances in the primary undermined massif and the time factor. The Coulomb–Mohr strength condition is recommended to be used taking into account the composite structural attenuation coefficient. Dependencies have been developed to describe the change in the strength characteristics of rocks in the undermined massif, considering the attenuation coefficient.Разработаны методические подходы к выбору критериев предельного состояния и прочностных характеристик повторно подрабатываемых массивов горных пород, предназначенных для параметрического обеспечения геомеханического моделирования напряженно-деформированного состояния массива и горнотехнических систем участков шахтных полей Старобинского месторождения калийной руды, планируемых для доизвлечения оставленных запасов полезного ископаемого. Установлено, что для изучения предельного состояния массива необходимо применять комплексный критерий. Определение такого критерия можно выполнить с использованием разработанных подходов. Первый подход заключается в выборе нескольких критериев, оценивающих предельное состояние массива по отдельным типам напряженно-деформированного состояния массива: критерия наибольших нормальных напряжений, критерия наибольших линейных деформаций, критерия наибольшего касательного напряжения, критерия Кулона–Мора. Второй подход заключается в построении объединенного критерия предельного состояния предлагаемого вида для материалов, у которых предельные величины напряжений на растяжение и сжатие отличаются существенным образом. При этом вводятся параметры, характеризующие вид напряженного состояния и свойства материала, которые в совокупности определяют характер разрушения – отрыв или срез. Для описания поведения горных пород в запредельной по прочности стадии деформирования предлагается применять деформационную теорию прочности с использованием разработанной зависимости деформационного критерия прочности. При расчете прочностных характеристик повторно подрабатываемого массива горных пород рекомендуется применять коэффициент структурного ослабления в виде произведения нескольких коэффициентов, учитывающих различные типы нарушения первично подработанного массива и временной фактор. Условие прочности Кулона–Мора рекомендуется использовать с учетом составного коэффициента структурного ослабления. Разработаны зависимости, описывающие изменение прочностных характеристик пород в подработанном массиве с учетом коэффициента разрыхления

«ИНДУСТРИЯ 4.0»: ОТ ИНФОРМАЦИОННО-КОММУНИКАЦИОННЫХ И АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ К САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЮ МАШИН И ОРГАНИЗМОВ

An analysis of the state and prospects of development of additive technologies for computer-aided manufacturing has been carried out. This analysis allowed demonstrating a new paradigm of computer-aided manufacturing evolution – the transition to self-reproduction of machines and their parts, as well as organisms. A diagram of logical connections in the process of additive manufacturing has been proposed, which is a state machine that can be used to build a 3D printer enabling to “grow” products of complex shapes and structures, as well as for additive synthesis of its composite material. Prospective approach, considering additive methods such as synergetic energy technology, ensuring the self-organization of surface phenomena in the formation of structures of layers of different materials has been developed. It is proposed on the basis of the approach to choose sources of energy and material defining discrete or continuous technological environment of the additive processing method. Conditions for stabilization of the thickness of formed layers associated with processes of self-organization of surface phenomena and design features of products have been discussed.Проведен анализ состояния и перспектив развития аддитивных технологий компьютеризированного производства, позволивший показать новую парадигму его эволюции – переход к самовоспроизведению машин и их частей, а также организмов. Предложена диаграмма логических связей в процессах аддитивного производства, представляющая собой конечный автомат, которая может использоваться как для построения 3D-принтера, осуществляющего «выращивание» изделия сложной формы и структуры, так и для аддитивного синтеза его композиционного материала. Рекомендован подход, который определяет аддитивные методы как синерготехнологии, обеспечивающие самоорганизацию поверхностных явлений. На основании подхода выбираются источники энергии и материала для технологий послойного синтеза изделий. Стабилизация толщины формируемых слоев связана с процессами самоорганизации поверхностных явлений и конструктивными особенностями изделий.

«ИНДУСТРИЯ 4.0»: ОТ ИНФОРМАЦИОННО-КОММУНИКАЦИОННЫХ И АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ К САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЮ МАШИН И ОРГАНИЗМОВ

An analysis of the state and prospects of development of additive technologies for computer-aided manufacturing has been carried out. This analysis allowed demonstrating a new paradigm of computer-aided manufacturing evolution – the transition to self-reproduction of machines and their parts, as well as organisms. A diagram of logical connections in the process of additive manufacturing has been proposed, which is a state machine that can be used to build a 3D printer enabling to “grow” products of complex shapes and structures, as well as for additive synthesis of its composite material. Prospective approach, considering additive methods such as synergetic energy technology, ensuring the self-organization of surface phenomena in the formation of structures of layers of different materials has been developed. It is proposed on the basis of the approach to choose sources of energy and material defining discrete or continuous technological environment of the additive processing method. Conditions for stabilization of the thickness of formed layers associated with processes of self-organization of surface phenomena and design features of products have been discussed.Проведен анализ состояния и перспектив развития аддитивных технологий компьютеризированного производства, позволивший показать новую парадигму его эволюции – переход к самовоспроизведению машин и их частей, а также организмов. Предложена диаграмма логических связей в процессах аддитивного производства, представляющая собой конечный автомат, которая может использоваться как для построения 3D-принтера, осуществляющего «выращивание» изделия сложной формы и структуры, так и для аддитивного синтеза его композиционного материала. Рекомендован подход, который определяет аддитивные методы как синерготехнологии, обеспечивающие самоорганизацию поверхностных явлений. На основании подхода выбираются источники энергии и материала для технологий послойного синтеза изделий. Стабилизация толщины формируемых слоев связана с процессами самоорганизации поверхностных явлений и конструктивными особенностями изделий.

Оптимизация параметров 3D-печати гидрогелем альгината натрия

In order to obtain biologically compatible objects with mechanical properties close to living tissues, 3D printing with biocompatible sodium alginate hydrogel at room temperature on the modified desktop 3D printer Up! Mini (manufactured by PP3DP, China) was carried out. The standard print head was replaced with a special syringe-extruder to allow the extrusion of a hydrogel, the details of which were made by 3D printing from ABS plastic. Of the parameters, the standard material feed and print head movement rates were changed. For accurate reproduction of object sizes using 3D printing from this hydrogel the next parameters were established: the optimal concentration of sodium alginate in extruded hydrogel (2.5 wt.%); the composition of the “support” gelatin suspension, which was fixed on the printing table of a 3D printer and served as volumetric support for hydrogel (10 g of calcium chloride CaCl2 and 13.5 g of gelatin per 500 ml of distilled water). The method of its preparation includes 1 minute mixing of components blend, dispersion at 9000 rpm on IKA ULTRA-TURRAX T 25 digital disperser, 4 hours settling at 4 °C, 3 minutes centrifuging at 5500 rpm, removal of the supernatant. The optimal movement speed of the print head during 3D printing and the speed of extrusion of the hydrogel during the formation of the external perimeter of the printing object are 9–11 and 5 mm/s, respectively, as well as the speed of material extrusion during the formation of the internal filling of the model is 0.83 mm/s.С целью получения биологически совместимых объектов с механическими свойствами, близкими к живым тканям, проведена 3D-печать биосовместимым гидрогелем альгината натрия при комнатной температуре на модифицированном настольном 3D-принтере Up! Mini (производство PP3DP, Китай). Произведена замена стандартной печатающей головки на специальный экструдер-шприц для возможности экструзии гидрогеля, детали которого были изготовлены методом 3D-печати из ABS пластика. Из параметров были изменены стандартные скорости подачи материала и передвижения печатающей головки. Для точного воспроизведения размеров объектов методом 3D-печати из данного гидрогеля установлены следующие параметры: оптимальная концентрация альгината натрия (2,5 мас.%) в экструдируемом гидрогеле; состав «поддерживающей» желатиновой суспензии, которая фиксируется на печатном столике 3D-принтера и служит объемной поддержкой гидрогеля альгината натрия в процессе 3D-печати (10 г хлорида кальция CaCl2 и 13,5 г желатина типа А на 500 мл дистиллированной воды к обоим составам). Способ подготовки «поддерживающей» желатиновой суспензии включает перемешивание компонентов смеси, ее диспергирование при 9000 об/мин в течение 1 мин на диспергаторе IKA ULTRA-TURRAX T 25 digital, отстаивание при 4 °С в течение 4 ч, центрифугирование при 5500 об/мин в течение 3 мин, удаление супернатанта. Определены оптимальные скорость перемещения печатающей головки в процессе 3D-печати и скорость экструзии гидрогеля при формировании внешнего периметра печатающегося объекта (9–11 и 5 мм/с соответственно), а также скорость экструзии материала при формировании внутреннего заполнения модели (0,83 мм/с)

Melting of tantalum at high pressure determined by angle dispersive x-ray diffraction in a double-sided laser-heated diamond-anvil cell

The high pressure and high temperature phase diagram of Ta has been studied in a laser-heated diamond-anvil cell (DAC) using x-ray diffraction measurements up to 52 GPa and 3800 K. The melting was observed at nine different pressures, being the melting temperature in good agreement with previous laser-heated DAC experiments, but in contradiction with several theoretical calculations and previous piston-cylinder apparatus experiments. A small slope for the melting curve of Ta is estimated (dTm/dP = 24 K/GPa at 1 bar) and a possible explanation for this behaviour is given. Finally, a P-V-T equation of states is obtained, being the temperature dependence of the thermal expansion coefficient and the bulk modulus estimated.Comment: 31 pages, 8 figures, to appear in J.Phys.:Cond.Matte