15.11.2018
Нобелевская премия

Нобелевская премия за нанотехнологии. Семь билетов в Стокгольм

Рейтинг:  5 / 5

Звезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активна
 

Нынешние Нобелевские премии по науке вручат за исследования в области нанотехнологий, внутриклеточных механизмов, переработку отходов и применения топологии.

Больше — не всегда лучше. Всякому, кто в этом сомневается, стоит глянуть на взрыв в компьютерной отрасли, который произошел за последние полвека. Это оказалось возможным, потому что комплектующие, из которых состоят компьютеры, постоянно уменьшались. А этот успех вдохновил ученых на поиски других отраслей, где уменьшение размеров тоже может обернуться выгодой.

Одна из этих отраслей еще в 1990-х балансировала между модным веяниям и надеждой. Это нанотехнология. С годами содержание этого термина так изменилось, что даже можно простить сомнения циников, не являются ли нанотехнологии просто новой вывеской для обычной химии? Впрочем, нанотехнология от самого начала имела достаточно четкое определение. Она описывала возможность создания машин с подвижными деталями на молекулярном уровне. И на признание этой цели Шведская королевская академия наук решила на прошлой неделе присудить нынешнюю Нобелевскую премию в области химии троим исследователям: Жану-Пьеру Соважеви, сэру Фрейзеру Стоддарту и Бернарду Феринзи, которые никогда не забывали про первоначальную цель нанотехнологий.

Вклад доктора Соважа, за который он получил треть от 8 млн шведских крон ($930 тыс.) призовой суммы, заключался в сочетании атомов в новые, потенциально полезные соединения. Обычные молекулы держатся вместе благодаря парным связям электронов между соседними атомами. В некоторых случаях в результате образуются кольца из атомов. Доктор Соваж понял, что такие кольца можно соединять между собой как звенья металлической цепи и создать супермолекулу, что держится вместе скорее механическим способом, а не через привычные химические связи. В 1983 году его исследовательской группе в университете Страсбурга (Франция) удалось создать такую супермолекулу, а через 11 лет эти ученые продемонстрировали структуру, состоявшую из двух таких звеньев и которая имела особые свойства. Во время применения энергии одна из них вращалась вокруг другой, образуя некий молекулярный «двигатель».

Маленькое — прекрасное

Сэр Фрейзер получил свою треть премии за работу над миниатюрной машиной, которая напоминает принцип предварительного открытия. В 1991 году ему и его коллегам из Северо-Западного университета в Иллинойсе удалось просадить крохотную молекулярную ось сквозь кольцевидную молекулу. Во время нагревания кольцо скользило между концами оси. Так возникла молекулярная «лодочка». После этого группа ученых создала ряд других машин, среди которых лифт масштабов атома, искусственные мышцы и даже простой механический компьютер, сделанный из деталей размером с молекулу.

Однако самой желанной целью нанотехнологических исследований всегда оставался двигатель, который вращается вокруг оси, а не просто скользит по ней туда-сюда. И именно за создание в 1999 году такого устройства получит свою долю премии доктор Ферінга. Он понял, как можно заставить кольцо стабильно вращаться в одном направлении, ведь из двигателя, который произвольно может крутиться в любую сторону, пользы не очень много. До 2011 года его команда в университете города Гронинген в Нидерландах дошла до уровня, который дал ей возможность сделать наноавтомобиль. Он состоит из молекулярного шасси, соединенного с четырьмя колесами, которые двигают автомобиль (очень медленно) поверхностью.

Сколько времени понадобится, чтобы превратить любое из этих изобретений на продукт, будет видно. Оптимисты говорят о производство машин молекулярного размера: от устройств для «транспортировки» медикаментов в организме до миниатюрных компьютеров. Пессимисты вспоминают, что нанотехнология — это отрасль, которую каждый раз раздувают и ученые, и инвесторы, а следовательно она просто сдувается, столкнувшись с практическими трудностями.

И есть основание надеяться, что все в конце концов удастся. Потому, что матушка-природа уже все придумала до нас (как оно часто бывает с человеческими изобретениями). Для примера представим себе живые клетки как совокупность нанотехнологических машин. Энзимы, который производит аденозинтрифосфат (АТФ) — молекулы, что является носителем энергии для биохимических реакций почти во всех живых клетках, является вращательной молекулярной машиной, подобной изобретению доктора Феринги. Она работает эффективно. АТФ-генераторы в человеческом теле продуцируют этого добра столько, что за день его вес почти равен весу тела. Если бы удалось разработать коммерческий эквивалент такого генератора, информационный шум всех этих лет вокруг нанотехнологий оказался бы небесполезным.

Как клетки поедают сами себя

Еще один пример естественной нанотехнологии — «автофагия» (что по-гречески означает «самопоедание»). Это система, которая расщепляет и перерабатывает изношенные клеточные компоненты. И Нобелевская премия в области физиологии или медицины, которую присуждает Каролинский институт, досталась одному из ученых, которые активно занимаются исследованием механизмов автофагии, — Йосмнорм Осуми из Токийского технологического института.

Когда доктор Осуми начал свои исследования, биологи уже знали, что автофагия — процесс из двух фаз. Сначала клеточные компоненты (органеллы), которые должны быть уничтожены, покрываются жировой мембраной и образуется похожая на пузырек везикула — автофагосома. Следовательно последняя сливается с другой везикулою, которая называется лизосома. И содержит пищеварительные энзимы, которые расщепляют содержимое автофагосомы. Однако ученые не знали некоторых нюансов. В частности, загадкой оставался процесс формирования автофагосом. Доктор Осуми получил награду именно за выяснение этих подробностей.

Он начал работать над этой проблемой в 1988 году и исследовал автофагию в клетках дрожжей. Это хорошо изученный организм, который биологи часто используют для исследования фундаментальных клеточных процессов. К сожалению, клетки дрожжей очень маленькие. Поэтому доктору Осуми было трудно разглядеть автофагосомы в них даже под микроскопом. Он решил эту проблему, отключив процесс производства лизосомных пищеварительных энзимов. Следовательно автофагосоми не уничтожались и накапливались в достаточном количестве, чтобы их можно было разглядеть в микроскоп и изучить.

Его работа, опубликованная в 1992 году, стала ключом к остальным исследованиям: идентификации генов, задействованных в процессе создания автофагосоми. Это, в свою очередь, помогло понять, как возникают везикулы. Выбор дрожжевых клеток, который сделал доктор Осуми, оказался очень удачным. На то время, когда ученый начал свои исследования, геном дрожжей был уже хорошо изучен, а впоследствии одним из первых описан вполне в рамках Проекта генома человека. Отключив гены и исследовав последствия их «отсутствия», Осуми воссоздал полную картину процесса возникновения автофагосом. И хотя дрожжи и люди не ближайшие родственники, автофагия — это такой фундаментальный процесс, что в клетках этих двух биологических видов он происходит более-менее одинаково. Поэтому дрожжевая автофагия — хороший образец аналогичного процесса в клетках человека.

Это важно потому, что исследования доктора Осуми имеет большее значение, чем просто освещение важного этапа жизни клетки. Оно помогает объяснить, что происходит во время проникновения в организм патогенных бактерий и вирусов (незваных гостей поглощают автофагосомы) и проливает свет на болезни, в частности болезни Паркинсона и некоторые разновидности диабета, вызванные сбоями в автофагии и накоплением клеточных отходов.

Следовательно, понимание процессов автофагии имеет важное практическое значение. О труде, награжденном в области физики, похоже, можно сказать обратное. Именно это сначала и признало жюри, которое объявляло победителей. Судьи подчеркнули красоту математических выкладок в работе-победительнице и ничего не сказали о ее практическом применении: о нем сейчас речь не идет.

Упомянутые математические выкладки касаются топологии. Это раздел геометрии, который занимается «инвариантами» вроде дыр, что могут существовать в геометрических телах лишь в дискретных, целых числах (то есть тело не может иметь половину дырки). Лауреаты — Дэвид Таулесс из Университета Вашингтона в Сиэтле, Данкан Галдейн из Принстонского университета в Нью-Джерси и Майкл Костерлиц из Университета Брауна в городе Провиденс, штат Род-Айленд — применили топологию к материяведению и получили теоретические объяснения поведения необычных состояний материи.

Всепоглащающий вихрь

Интрига нынешней научной премии еще и в том, что все три лауреата — «дети эпохи миграции мозгов» XX века, когда рожденные в Британии ученые переезжали дальше на запад в поисках высоких окладов и лучших лабораторий в США. Доктор Таулесс, которому досталась половина премии, сотрудничал с доктором Костерлицом (который другую половину разделил с доктором Галдейном) еще в 1970-х годах, когда они оба еще жили на родине. Плод их совместного труда — опровержение представления о том, что суперпроводимость (явление, во время которого исчезает сопротивление электрического проводника, обычно в случае охлаждения до температур, близких к абсолютному нулю) не может наблюдаться в тонких слоях материала. Согласно их расчетов суперпроводимость возможна благодаря действию спаренных вихрей в таком слое.

Вихри (они являются разновидностью дыры) — это топологические инварианты. Именно высвобождение этих вихрей и их свободное движение во время нагрева материала уничтожает суперпроводимость. Фактически это высвобождение — фазовая смена во время перехода материи из одного состояния в другое по аналогии к тому, как высвобождение атомов кристаллической решетки при нагревании обуславливает фазовый переход из твердого состояния в жидкое.

После переезда в США в начале 1980-х доктор Таулесс не переставал доказывать, что пошаговые переходы к и от суперпроводимости под действием магнитного поля (явление, известное как квантовый эффект Холла) — это тоже вид топологического инварианта. А в конце 1980-х уже и доктор Галдейн, перебравшись за океан, показал, что магнитные поля вообще необязательны во время этого процесса.

Выбор в пользу такой эзотерической темы этого года, в частности, удивил многих обозревателей, которые думали, что победить может сделанное 2015 года открытие гравитационных волн в эксперименте под названием LIGO. Это было бы в духе завещания Альфреда Нобеля: присуждать посмертную награду его имени за исследования предыдущего года. И хоть бы какая была причина, светила Королевской академии наук, ответственные за выбор победителей в областях физики и химии, решили и дальше игнорировать эту часть документа об учреждении премии.

  1. Последние
  2. Популярные
Загрузка...

Новости технологий сегодня

Самые популярные метки