Невидима для нас фізика. Світ електронів для людей
Цьогорічна Нобелівська премія з фізики присуджується за експерименти зі світлом, які зафіксували "найкоротші миті" і відкрили вікно у світ електронів. Нагороду отримали П'єр Агостіні, Ференц Крауш та Анна Л'Юйє.
Професорка Л'Юйє, яка працює в Лундському університеті у Швеції, є лише п'ятою жінкою, яка отримала Нобелівську премію з фізики, йдеться в статті наукової кореспондентки BBC Вікторії Гілл. "Це неймовірно, – сказала професорка. – Не так багато жінок отримують цю премію, тому вона дуже, дуже особлива". Анна Л'Юйє додала, що Нобелівський комітет дзвонив їй тричі, перш ніж вона взяла слухавку. "Я викладала", – сказала вона, жартуючи, що останні півгодини її лекції, після того, як вона дізналася про премію, були "досить складними".
Професор П'єр Агостіні працює в Університеті штату Огайо в США, а професор Ференц Крауш – в Інституті квантової оптики ім. Макса Планка в Німеччині. Переможці розділять між собою призовий фонд у розмірі 11 млн шведських крон (824 000 фунтів стерлінгів). До речі, Ференц Крауш, угорець, який працює в Німеччині, вже заявив, що свої кошти віддасть на підтримку українців – організації Science4People, яка займається відновленням і модернізацією шкіл для ВПО.
Робота відзначених фізиків продемонструвала спосіб створення надзвичайно коротких імпульсів світла, які можна використовувати для фіксації та вивчення швидких процесів всередині атомів. Вчені розробили експериментальні методи, які використовують взаємодію між інфрачервоним лазерним світлом та інертним газом, таким як неон, для отримання імпульсів світла на аттосекундному часовому діапазоні.
Електрони рухаються зі швидкістю 43 милі на секунду. Така швидкість довгий час унеможливлювала їх вивчення. Нові експериментальні методи, створені трьома вченими-лауреатами, використовують короткі світлові імпульси, щоб зафіксувати рух електрона в один момент часу.
Шведська королівська академія наук заявила, що в результаті експериментів трьох лауреатів були отримані "настільки короткі імпульси світла, що вони вимірюються в аттосекундах". Одна аттосекунда – це квінтильйонна частка секунди, тобто ця частка секунди відносно цілої секунди, як одна секунда відносно віку Всесвіту.
Ця робота продемонструвала, пише BBC, що ці майже неймовірно короткі імпульси – як надшвидкісний затвор – можна використовувати для вивчення поведінки електронів. Електрони рухаються неймовірно швидко – за мільярдні частки секунди. До прориву лауреатів вони фактично виглядали як розмиті плями під найсучаснішими мікроскопами – їхній рух і поведінка були надто швидкими, щоб за ними можна було встежити.
Уродженець Угорщини Крауш, чия команда згенерувала перші надшвидкі імпульси на початку 2000-х років, порівняв фізику надшвидких імпульсів з фотоапаратом зі швидким затвором, де короткі спалахи світла дозволяють зазирнути в мікросвіт у стоп-кадрі.
The Guardian наводить приклад часових масштабів, які визначають динаміку електронів. Електрону потрібно близько 150 аттосекунд, щоб обернутися навколо ядра атома водню, тоді як для переходу від одного атома до іншого електронам потрібно кілька сотень аттосекунд.
Голова Нобелівського комітету з фізики Єва Олссон зауважила: "Тепер ми можемо відчинити двері у світ електронів. Фізика аттосекунди дає нам можливість зрозуміти механізми, якими керують електрони".
Аттосекундна фізика привертає увагу до важливих процесів всередині атомів і молекул. Цей розвиток, ймовірно, призведе до створення ще більш точних електронних мікроскопів, набагато швидшої електроніки та нових тестів, здатних діагностувати захворювання на набагато більш ранній стадії.
Член Королівської академії наук професор Матс Ларссон, наголосив, що аттосекундні імпульси мають низку важливих застосувань, а технологія пропонує потенціал для надшвидкого перемикання такого матеріалу, як діоксид кремнію, з ізолятора на провідник. "Це важлива сфера, тому що вона дає можливість розробляти дуже швидку електроніку на основі цих коротких імпульсів", – зазначив він.
Іншим застосуванням, яке досліджується, є молекулярна дактилоскопія біологічних зразків. Наприклад, за словами Ларссона, дуже короткі імпульси світла можуть бути використані для збудження молекул у зразку крові. Інфрачервоне світло, випромінюване молекулами, може бути виявлене з точністю до секунди, пропонуючи вченим спосіб ідентифікувати найдрібніші зміни в крові.
"Є надія, що в майбутньому ви зможете визначити, чи розвинувся у людини, наприклад, рак легенів, оскільки матимете дуже чутливий метод, і якщо зможете діагностувати рак на дуже ранній стадії, лікування буде набагато більш успішним", – сказав Ларссон.
Вчені також припускають, що аттосекундні імпульси світла можна використовувати для дослідження квантових процесів, пов'язаних з фотосинтезом у рослинах, або для управління хімічними реакціями – область, яка отримала назву "аттохімія".
Тернистий шлях до революційної медицини. Скепсис Пенсильванського університету
Нобелівську премію з медицини присуджено уродженці Угорщини, а тепер американці Каталін Каріко та Дрю Вайсману з Пенсильванського університету за розробку мРНК-вакцини проти COVID-19.
Wall Street Journal розповідає історію Каталін Каріко, яка фактично змушена була виборювати собі право працювати в університеті над своїми дослідженнями. Університет Пенсильванії радо святкував отримання Нобелівської премії своїми науковцями, але донедавна здебільшого зневажливо ставився до неї. Свого часу навчальний заклад понизив майбутню лауреатку в посаді, перевівши її в лабораторію на околиці кампусу і скоротивши зарплату.
Колеги Каріко принижували її дослідження мРНК, а дехто не хотів працювати з нею. Зрештою вона переконала іншого дослідника з Пенсильванського університету Дрю Вайсмана співпрацювати над модифікацією мРНК для вакцин і ліків, хоча чимало інших залишалися скептично налаштованими щодо їхньої ідеї, наполягаючи на інших підходах.
Пенсильванський університет, який запатентував технологію мРНК, заробив мільйони доларів на ліцензіях для виробників ліків. І ось, коли Каріко і Вайсман отримали Нобелівську премію, на додачу до інших престижних наукових нагород останніх років, університет по-іншому подивився на їхню роботу.
Цей розворот дає змогу зазирнути в клубний, тепличний світ академічних кіл і науки, де з іншого боку отримання фінансування є постійним тягарем, забезпечення публікації – прикрим викликом, а ті, хто має нетрадиційні або амбітні підходи, змушені виборювати підтримку і визнання, пише Wall Street Journal.
Девід Лангер, завідувач кафедри нейрохірургії в лікарні Ленокс Гілл, який провів 18 років, навчаючись і працюючи в Пенсильванії, був студентом і співробітником Каріко, вважає таку систему недосконалою.
WSJ зазначає, що Пенсільванський університет був не єдиною установою, яка ставила під сумнів віру Каріко в мРНК, коли багато науковців працювали над іншими генними технологіями. Наскільки радикальними були її ідеї в той час, свідчить те, що вона мала труднощі з публікацією своїх досліджень та отриманням великих ґрантів – необхідних умов для тих, хто сподівається на розвиток у науці та отримати академічне просування.
Ще одна причина, чому її відносини з університетом зіпсувалися: Каріко могла викликати антагонізм у колег – так WSJ натякає на її непростий характер. На презентаціях вона часто першою вказувала на помилки в роботі колег, хоча науковиця каже, що не мала наміру образити когось, а просто відчувала потребу вказати на помилки.
Відносини між Каріко та університету з роками стали напруженими. Уродженка Угорщини, 1989 року вона прийшла працювати доценткою-дослідницею на кафедрі кардіології медичного факультету. Її робота, яка не передбачала отримання штатної посади, полягала у проведенні досліджень і читанні лекцій для аспірантів.
Доцентами-дослідниками, зазначає WSJ, зазвичай ставали вчені іноземного походження – деякі викладачі називали їх "інопланетянами", які готові були не зважати на мізерну зарплатню заради досвіду роботи в лабораторіях світового класу університету Ліги Плюща і тому, що Пенсільванський університет обіцяв підтримати їхні заяви на отримання грін-карти.
Каріко відчувала себе людиною другого сорту. Одного разу вона отримала догану за те, що використовувала деіонізовану воду, яка належала старшому співробітнику її лабораторії, замість того, щоб подолати п'ять поверхів сходів, аби взяти воду в іншій лабораторії.
Після довгих днів у лабораторії Каріко поверталася додому і писала заявки на ґранти, пропонуючи використовувати мРНК для розробки різних методів лікування. Їй рідко щастило. Рецензенти іноді ставили під сумнів її пропозиції, зважаючи на її звання в школі.
Професори Пенсильванського університету та інші мали вагомі підстави для свого скептицизму. Багато із них були захоплені використанням ДНК, яка є дволанцюговою і більш стійкою молекулою. На противагу цьому, мРНК є одноланцюговою і, як відомо, нестабільною, і з нею важко працювати. Усередині клітини мРНК затримується лише на короткий час, перш ніж виводиться з неї. І організм розробив витончені методи, щоб захиститися від молекули.
Для Каріко мРНК була ідеальною молекулою – їй потрібно було лише проникнути крізь клітинні стінки для створення білків, а не до самого ядра, як ДНК. Ґрантові пропозиції науковиці не мали особливого успіху, і їй доводилося покладатися на викладачів, які платили їй зарплату.
1995 року, коли Каріко виповнилося 40, їй поставили ультиматум: залишити Пенсільванський університет або погодитися на пониження. Вона погодилася на нову, менш оплачувану посаду. Пізніше вчена сказала, що це дало їй відчуття свободи, а також час для подальшого вдосконалення своїх методів дослідження мРНК. "Це як у "Бійцівському клубі", коли ти втрачаєш усе, але стаєш безстрашним", – заявила вона в інтерв'ю 2020 року для книги "Постріл, що врятує світ".
Тоді вони з Вайсманом досягли прориву. Науковці модифікували базові компоненти, або нуклеозиди, мРНК, щоб запобігти запальній реакції. Тепер молекула могла проникати в клітини і створювати достатню кількість білків, що є ключем до створення вакцин і ліків.
Пенсильванський університет запатентував свою технологію мРНК. Каріко і Вайсман намагалися ліцензувати її для своєї біотехнологічної компанії, але не змогли дозволити собі ціну, яку вимагав університет. Зрештою університет передав ліцензію іншій компанії. За останні кілька років він заробив десятки мільйонів доларів, ліцензуючи технологію різним компаніям, включно із BioNTech і Moderna, які виробляють вакцини проти COVID.
Водночас, не всі вчені поділяють точку зору західних видань, які навипередки критикують університет та наукові кола, що скептично ставилися до майбутнього лауреата. "Псевдоуридин є природним модифікованим нуклеотидом, який був відкритий задовго до робіт Каріко та Вайсмана. Клітини постійно використовують його для "декорування" РНК. Заслуга нобеліатів була в тому, що вони показали, як імунна система впізнає немодифіковану РНК як чужорідну і запускає на неї імунну реакцію. Якщо вводити модифіковану РНК із псевдоуридином, то імунна система не реагує і це відкриває можливість для використання РНК-вакцин. По-суті це все. Ця робота взагалі не є особливо фундаментальною. Так, це розшифровка одного з тисяч складних та заплутаних клітинних механізмів, але таких механізмів кожного року розплутують десятки і нобелівки за кожний якось не дають", – пише, наприклад, вчений-біофізик Семен Єсилевський у Speka.Media. Він називає цьогорічну премію кон'юнктурною, адже "якби не пандемія COVID і не сенсаційний успіх мРНК-вакцин, ніхто б про пані Каріко і не згадав".
Квантові точки і точка. Хімія в кожному домі та в кожній кишені
Нобелівська премія з хімії присуджена за відкриття та синтез квантових точок. Вчені Мунгі Бавенді, Луї Брус та Олексій Єкімов отримали Нобелівську премію з хімії 2023 року за відкриття крихітних кластерів атомів, відомих як квантові точки.
Д-р Бавенді народився 1961 року у Франції, є професором Массачусетського технологічного інституту і навчався під керівництвом д-ра Бруса як аспірант. Д-р Брус народився 1943-го в Клівленді, є почесним професором Колумбійського університету. Д-р Єкімов народився 1945 року в колишньому Радянському Союзі, раніше обіймав посаду головного наукового співробітника компанії Nanocrystals Technology, що базується в Нью-Йорку.
Квантові точки – це напівпровідники, виготовлені з частинок, стиснутих настільки, що їхнім електронам ледве є чим дихати. Ці напівпровідники – це кристали, які допомагають живити нашу електроніку. Але в той час як традиційні кристали можуть бути досить великими на молекулярному рівні, квантова точка складається всього з декількох тисяч атомів, втиснутих у простір лише в кілька нанометрів в поперечнику. Різниця в розмірі між квантовою точкою і футбольним м'ячем приблизно така ж, як різниця між футбольним м'ячем і Землею, зазначають у Нобелівському фонді.
Однією із захоплюючих і незвичайних властивостей квантових точок є те, що вони змінюють колір світла залежно від розміру частинок, проте водночас зберігають атомну структуру незмінною, зазначив голова Нобелівського комітету з хімії Йохан Аквіст. За його словами, "довгий час ніхто не думав, що можна створити такі маленькі частинки".
Електрони існують на фіксованих відстанях від ядра атома, причому вищі енергетичні рівні відповідають більшим відстаням. Коли атоми отримують енергію, їхні електрони тимчасово перестрибують на більші відстані і вищі рівні. Коли вони падають назад, електрони вивільняють додаткову енергію у вигляді світла.
Основний принцип квантової механіки полягає в тому, що об'єкти можуть поводитися як частинки або як хвилі. Це стосується і електронів: як і інші типи хвиль, вони мають частоту, що пов'язана з кольором світла, яке вони випромінюють. Ще з 1930-х років вчені знали, що якщо стиснути атоми в досить крихітний "контейнер", можна збільшити частоту їхніх електронів і змінити тип світла, яке матеріал поглинає або випромінює. Цим контейнером є кристал, який називають квантовою точкою, оскільки він запускає хвилеподібну поведінку, теоретично обґрунтовану квантовою механікою.
Брус був прийнятий на роботу в AT&T Bell Labs у 1972 році, де він провів 23 роки, присвятивши значну частину часу вивченню нанокристалів. Бавенді, який народився в Парижі, був студентом, коли поїхав на літо до лабораторії Bell Labs, де познайомився з Брусом, який став його наставником. "Це був казан енергії та науки", – каже Бавенді.
Технологія квантових точок, яка уможливила створення QLED-телевізорів високої чіткості, що продаються компаніями Samsung, Sony або TCL, сягає своїм корінням робіт Єкімова на початку 1980-х років.
Єкімов був першопрохідцем, відкривши, що колір скла змінюється залежно від розміру молекул хлориду міді, що містяться в ньому, і що в цьому процесі відіграють роль субатомні сили. У телефонній розмові з Reuters 78-річний науковець, який народився в Радянському Союзі, а згодом переїхав до США, дивувався новітнім технологіям плоских екранів, чого він не міг собі уявити під час своєї роботи у 1980-х роках. "Згадайте, що тоді було телевізором!" – прокоментував він, сміючись.
Кілька років по тому Брус розширив роботу до мікроскопічних частинок, які плавають у рідинах. "Це спільна робота, – сказав він в інтерв'ю. –Тут немає жодного моменту "еврики!"
У 1993 році Бавенді здійснив революцію у виробництві квантових точок та покращив їхню якість.
Серед іншого, дослідження дозволило створити світлодіоди, які світять світлом більше схожим на природне сонячне, без синюватого відтінку.
Джудіт Джордан, президентка Американського хімічного товариства, назвала їхню роботу "чудовим прикладом" того, що починалося як теорія, вдосконалювалося в академічних лабораторіях, а потім було винесено у світ для широкого корисного застосування: "Це не просто езотерична наука. Вона покликана допомагати людям".
Винахід – властивості квантових точок – сьогодні широко використовуються для створення кольорів на пласких екранах, світлодіодних ламп та пристроїв, які допомагають хірургам бачити кровоносні судини в пухлинах.
"Дослідники вважають, що в майбутньому вони можуть зробити свій внесок у створення гнучкої електроніки, крихітних датчиків, тонших сонячних батарей і зашифрованого квантового зв'язку", – йдеться в заяві академії.
Попередні дослідження Національної лабораторії відновлюваної енергетики вказують на те, що квантові точки можуть прокласти шлях до подвоєння ефективності сонячних панелей, у порівнянні з тими, які зараз використовуються.
Огляд підготовано за матеріалами BBC, Wall Street Journal, New York Times, The Guardian, Reuters
