Нобелевская премия 2022. Хвост от удара по астероиду. Многослойный графен. Новости на QWERTY №231
Из этого ролика вы узнаете, кому и за что вручали Нобелевскую премию этого года, как выглядит результат столкновения рукотворного аппарата с астероидом и сколько слоев добавляют в магический графен.
[музыка]
Всем привет! Вы смотрите научно-популярный канал QWERTY. А меня зовут Владимир. Помните, на прошлой неделе человечество запустило космический аппарат прямо в астероид? Это был зонд Дарт. Название расшифровывается как двойной астероидный перенаправляющий тест. 19-метровый зонд массой в полтонны на скорости в 6,5 километров в секунду врезался в астероид Диморфос, диаметром 160 метров, обращающийся вокруг другого астероида — Дидима, диаметром 780 метров. Да, это двойная система — двойное астероидное столкновение произошло на расстоянии примерно в 11 миллионов километров от Земли, и отклонение точки удара от центра астероида составило всего 17 метров.
Это потрясающая точность, полученная благодаря многим ухищрениям в плане навигации. Цель всего этого процесса была изменить орбиту астероида и показать, что активная планетарная защита от опасных космических тел посредством кинетического тарана не пустой звук. Орбита действительно изменилась: планировалось, что период обращения Диморфоса вокруг Дидима изменится на 7 минут, где-то на один процент. Но точное отклонение получится просчитать чуть позже. В том числе в этом поможет анализ вот этого гигантского хвоста из выброшенного вещества, образовавшегося после столкновения. Хвост растянулся на 10 тысяч километров и приобрел вытянутую форму из-за давления солнечного излучения — прямо как хвост кометы.
Процесс столкновения одиноко наблюдал спутник Купера, заранее выброшенный в пространство Дартом. Ну а вы наблюдаете одиноко или не очень выпуск самых интересных новостей науки за предыдущую неделю. И как обычно, все ссылки на подробности и источники будут в описании.
Итак, о Нобелевской премии этого года. Открытия и изобретения, за которые вручается премия, признаются революционными для науки, вносящими грандиозные вклад в её развитие. То есть сначала они признаются, а потом за них вручается премия. Хотя к процессу присуждения премии есть вопросы, но их не очень много. Пройдемся по трем основным номинациям.
Премия по медицине или физиологии в этом году присуждена шведскому генетику Свантэ Паа́бо за исследования, касающиеся генома вымерших гоминид и эволюции человека. Примерно 40 лет назад Паа́бо задумался: «А можно ли расшифровать геном вымершего человека, учитывая, что в то время к расшифровке генома живущего человека только приступили?» И это была задачка со звездочкой. Клетки в ископаемых останках очень плохо сохраняют ДНК, и того хуже. Тем не менее у Паа́бо получилось поначалу справиться с секвенированием митохондриального генома.
Он, конечно же, гораздо меньше ядерного, поэтому это было проще. И уже потом он приступил к ДНК геному в обычном его понимании. Множество приключений у Паа́бо было с мумиями и сушеной печенью, на которую он отрабатывал разные методики. Эти приключения были практически комедийные, так что это совсем другая история. К 2010 году Паа́бо собрал черновик генома неандертальца. Примерно с тех пор мы начали узнавать пикантные особенности о самих себе, а именно, какие пересечения есть в геноме современного человека и неандертальца. Также Паа́бо занимался геномом денисовцев, людей, которых обнаружили в 2008 году в Денисовской пещере. Их положение в истории все еще уточняется.
В целом же премия присуждена за тот вклад, который Паа́бо внес в методику получения, выделения, очистки и анализа ДНК древних людей. Что интересно, Паа́бо не появлялся в списках фаворитов и основных претендентов на премию, и естественно, его открытия не были медицинскими. Так что будем считать их скорее физиологическими. И не забываем, что сказал Паа́бо: «Почти всегда вокруг нас были и другие виды людей».
Нобелевская премия по физике ушла сразу трем ученым: Аллену Аспе, Джону Клаузеру и Антону Зайленгеру за эксперименты с запутанными фотонами, исследования нарушений неравенства Белла и работу по квантовой информатике. Про запутанность и квантовую информатику мы слышали. Но что же такое неравенство Белла? Эти неравенства как лакмусовая бумажка. Если в квантовой механической системе, которая описывается этими неравенствами, есть какие-то скрытые параметры, то эти неравенства будут выполняться. Проверить это можно экспериментально, рассчитав вероятности состояния физической системы.
Джон Клаузер был первым, кто предложил эксперименты с запутанными фотонами для таких проверок и показал, что неравенство на самом деле не выполняется. То есть скрытых параметров квантовой механики нет. Получается, что точность наших формул, так сказать, на уровне. Аллен Аспе пошел дальше и показал, что первоначальные условия в этих экспериментах, а именно при испускании запутанных фотонов, никак не влияют на результат. Он разработал заготовку, которая переключала настройки измерения за несколько миллиардных долей секунды после того, как запутанная пара фотонов покидала свой источник. А это значит, что настройка, которая существовала в момент испускания, не могла затем повлиять на результаты измерения.
Ну а Антон Зайленгер стал рутинно использовать запутанность и впервые добился квантовой телепортации, то есть изменения квантового состояния одной из запутанных частиц при влиянии на квантовое состояние другой частицы. Обе частицы при этом находятся на расстоянии друг от друга. Фаворитов опять же никого из этих трех лауреатов не было. Получается очень интересный расклад для букмекеров.
С другой стороны, фавориты определяются на основании цитируемости их работ, что еще не говорит о какой-то революционности и грандиозности вклада в науку.
Клик-химия! Клик-химия звучит странно, но именно за это Нобелевскую премию по химии вручили Каролин Bertozzi, Мортону Мельдолу и Бари Шарплису, а точнее за развитие методов click-химии и биортогональной химии. Не поверите, но Бари Шарплисс получает уже свою вторую премию по химии. Таких двойных лауреатов за всю историю премии всего пять человек набралось, включая знаменитую Марию Склодовскую-Кюри. И да, действительно чаще всего двойные премии вручались именно по химии.
Клик-химия — это органическая химия. Её смысл в том, чтобы реакции проходили быстро, с высоким выходом и желательно без катализатора. Старт этому направлению положил Мортон Мельдол, который в 2002 году опубликовал статью о каталитическом азидно-алкиновом цикле присоединений. Эта реакция между молекулами двух веществ, которые содержат две разные функциональные группы: азидную и алкиновую. Две молекулы в присутствии катализатора на основе меди соединяются в одну и дают триозол. Клик — это реакция достаточно быстрая и с высоким выходом.
Шарплисс тоже наблюдал эту реакцию. Позже, в 2004 году, он рассмотрел несколько других реакций, способных проходить в воде быстро, с высоким выходом в присутствии кислорода и отнес их к новому классу клик-реакций. Но только через пару лет Каролин Bertozzi нашла практическое прикладное применение клик-реакциям — то самое азидно-алкиновое цикло-присоединение. Она провела без катализаторов. Для этого понадобился стерически напряженный алкин и немного магии.
Реакция была продуктивной, поскольку снятие напряжения с циклической цепочки выгодно с термодинамической точки зрения. Также эта реакция биоортогональна, то есть может проходить в живых клетках, не препятствуя биологическим процессам. А значит, её можно использовать и для исследований веществ, находящихся и на поверхности клеток, например, полисахаридов, и для того, чтобы пришивать белкам разные метки, например, флюоресцирующие, и чтобы видеть путь лекарства в организме.
Звучит сложно, но на самом деле это всё не про усложнение процессов, а про то, чтобы создавать функциональные молекулы, которые могут быстро и эффективно соединяться с собой клик и всё, как Лего.
Мне кажется, никогда не устанут повторять, что графен — это удивительный материал, который еще принесет множество открытий. Помните, если взять два одномерных листа графена, положите друг на друга с нанометровым зазором и повернуть на определённый угол, то в этой структуре возникнет особая сверхпроводимость. Такие углы называют магическими. Ученые считают, что, работая с ними, можно добиться высокотемпературной сверхпроводимости. Ведь по факту, складывая листы каждый раз под новым углом, мы получаем всё новые и новые структуры, которые могут обладать новыми свойствами.
В 2021 году определили, что трехслойный графен вот такой вот муаровый сэндвич, каждый слой которого тоже повернут на магический угол, тоже может обладать сверхпроводящими свойствами. Но еще интереснее то, что в зависимости от поданного на него напряжения он может вести себя либо как обычный металл, либо как слоёный полупроводник. То есть сверхпроводимостью можно управлять.
Ожидаемо, ученые добрались до 4 и до 5 слойных графенов, но дальше им нужно было понять, как меняются их свойства в зависимости от температуры, от подаваемого на них напряжения и от количества электронов в каждой ячейке. Му́аровые сверхрешетки визуально представляются в виде вот таких диаграмм. Это визуальное отображение состояния сверхпроводимости. Видим: оранжевый цвет — это изолятор, видим: темно-синий — значит, у нас сверхпроводник. Если не вдаваться в подробности, то состояние зависит в основном от того, сколько электронов могут находиться в ячейках — до 5 для сверхпроводимости. Причем сразу пять электронов в обычном графене не могут находиться в одной ячейке. Но если один из них перемещается в другую зону проводимости, то могут. Но и такая зона действительно образуется только при закручивании решёток на магический угол.
Ожидаемо, на сверхпроводимость влияет еще и температура. И, к сожалению, пока при температурах более одного с четвертью Кельвина вся конструкция превращается в тыкву. Ну, то есть в полупроводник. Также на сверхпроводимость влияет и магнитное поле. С его помощью можно регулировать диапазон сверхпроводимости. Это связано с тем, что магнитное поле может нарушать симметрию спинов электронов и слоев графена. А это, опять же, влияет на заселение ячеек электронами.
В целом же учёные считают, что четырех- и пятислойные графены обладают более стабильной сверхпроводимостью и являют собой более качественные кандидаты на дальнейшие эксперименты, чем менее многослойные структуры. При этом надо понимать, что все описанные свойства — это лишь результаты наблюдений, и какой-то теории, подводящей базу под всё это, на данный момент нет.
Мы ведем себя практически как древние люди, которые пытались пользоваться огнем, но не понимали его природу.
Лучшей новостью предыдущего выпуска вы признали новость про то, что ученые смогли вылечить волчанку при помощи CRT клеточной терапии, то есть собственных клеток пациентов. Разумеется, модифицированные Т-лимфоциты пациентов были изменены в лаборатории так, чтобы они при помощи химерного рецептора одного из антигенов, свойственных Б-лимфоцитам, нацеливались на них, то есть на Б-лимфоциты. Затем крепились к ним и уничтожали их. Именно неправильные Б-лимфоциты при волчанке натравливают свою собственную иммунную систему на свои собственные клетки организма.
Интересно то, что CRT-терапия используется и при борьбе с раком, ведь основной смысл CRT — это усилить навигационную систему Т-лимфоцитов, прикрепив к ним с помощью вирусного вектора химерный рецептор такого антигена, который помогает лучше распознавать конкретную опухоль, а соответственно и уничтожать её. После модификации клетки вводят обратно пациенту, где они выполняют свою миссию: атакуют мишени или поддерживают другие иммунные системы.
Ну что ж, а на этом на сегодня всё. Большое спасибо вам за просмотр! Мне будет очень приятно, если вы поставите лайк этому видео и поделитесь им со своими друзьями. Не забывайте голосовать за самую интересную новость выпуска в нашем Telegram-канале, и пожалуйста, подпишитесь на QWERTY, если вы этого еще не сделали, и позвоните в колокольчик.
До скорых встреч! Пока!
[музыка]