За квантовые точки
Среди лауреатов Нобелевской премии по химии 2023 года — известный советский и американский ученый Алексей Екимов, ныне — сотрудник американской Nanocrystals Technology Inc. Кроме него награду за фундаментальные открытия в нанотехнологиях, конкретно — «за открытие и синтез квантовых точек», получат Мунги Бавенди из Массачусетского технологического института (MIT) и Луис Брюс из Колумбийского университета Нью-Йорка.
«Первые полупроводниковые точки (позже они будут называться квантовыми точками) — микрокристаллы соединений AIIBVI, сформированные в стеклянной матрице, — были предложены и реализованы Алексеем Ивановичем Екимовым и Алексеем Аркадьевичем Онущенко», — писал о работах Алексея Екимова другой нобелевский лауреат — Жорес Алферов, под руководством которого в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе работал Алексей Иванович. До отъезда в США в 1999 году он работал также в Государственном оптическом институте им. С.И.Вавилова в Санкт-Петербурге.
Квантовые точки — это наноразмерные кристаллы, крошечные флуоресцентные полупроводники. Если их возбуждают внешним источником света, они поглощают энергию и в зависимости от размера частицы излучают свет разного цвета. Эти объекты нанотехнологий в настоящее время используются в светодиодных лампах, в качестве биомаркеров для визуализации в медицине, например, для окрашивания опухолей или аутоиммунных антител, доставки лекарств к нужным тканям (присоединяя лекарственные вещества к наночастицам, можно более точно нацеливать их на опухоли).
Но прежде чем квантовые точки нашли свое применение, физикам предстояло изучить квантовые эффекты, связанные с размерностью этих объектов. В начале 1980-го Алексей Екимов сумел добиться квантовых эффектов в стеклах, цвет которых зависел от размера выращиваемых им для стекол нанокристаллов. Так, используя наночастицы из хлорида меди, он показал, что размер частиц влияет на цвет стекла через квантовые эффекты.
Спустя несколько лет Луис Брюс стал первым ученым в мире, подтвердившим зависимость квантовых эффектов от размера наночастиц в экспериментах с частицами, свободно плавающими в жидкости. В 1993 году Мунги Бавенди коренным образом изменил химическое производство квантовых точек, что привело к возможности создания почти совершенных частиц. Такое высокое качество было необходимо для их практического применения. Как отмечено в решении Нобелевского комитета, квантовые точки приносят огромную пользу человечеству, а в будущем они найдут применение и в создании гибких электронных устройств, и в более тонких, чем современные, в солнечных панелях и устройствах для защищенной квантовой коммуникации.
«Изучение потенциала этих крошечных частиц только начинается», — отмечает Шведская королевская академия наук.
За спасительные вакцины
Лауреатами Нобелевской премии по физиологии или медицине 2023 года стали создатели мРНК-вакцин.
Награда присуждена Каталин Карико и Дрю Вейсману «за их открытия, касающиеся модификаций нуклеозидных оснований, которые позволили создать эффективные мРНК-вакцины против COVID-19».
Карико — биохимик, Вейсман — иммунолог, их междисциплинарное сотрудничество в Пенсильванском университете началось более 30 лет назад. Как отмечает Нобелевская ассамблея, благодаря исследованиям Карико и Вейсмана производство спасительной вакцины во время пандемии удалось наладить с «беспрецедентной скоростью». Важным преимуществом вакцин на основе мРНК является то, что их для их получения не требуется культивирование клеток в больших объемах, а это особенно важно во время эпидемий, когда критически значима скорость производства препарата. мРНК — это информационная генетическая молекула, она содержит информацию, закодированную в ДНК, и благодаря этой молекуле-посреднику клетки получают инструкции о том, какие белки им синтезировать. Процесс перевода информации с ДНК в состав мРНК называется транскрипцией. Для разного рода молекулярно-биологических экспериментов, требующих транскрипции «в пробирке», в 1980-х годах начали осваивать производство мРНК in vitro. И тогда же зародилась идея использования мРНК напрямую, то есть минуя этап перевода генетической информации с ДНК, в вакцинах и для других терапевтических целей. Но молекулы мРНК, транскрибируемые in vitro, оказались нестабильны, и было непонятно, как их доставлять в организм. Нынешние Нобелевские лауреаты обошли эти препятствия.
Нестабильность произведенной in vitro мРНК в организме во многом была обусловлена реакцией иммунной системы, которую она вызывала. Карико придумала заменить один из элементов цепочки РНК, нуклеотид уридин, на псевдоуридин, что сделало всю молекулу неузнаваемой иммунной системой. Статья об этом была опубликована в 2005 году, но никакой реакции в профессиональном сообществе не вызывала. Более того, Карико была понижена в должности и лишилась грантов из-за того, что вела исследования в неактуальном направлении. Однако позже на эту публикацию обратил внимание будущий сооснователь Moderna, одной из двух компаний-производителей мРНК-вакцин против COVID, Деррик Росси. Проблему доставки мРНК-препарата в организм решили упаковкой в липидные наночастицы.
За измерение быстрых
Нобелевская премия по физике 2023 года досталась ученым-экспериментаторам за методы изучения поведения электронов внутри вещества.
Пьер Агостини из Университета штата Огайо в Колумбусе, США, Ференц Крауз из Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге и Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана, Германия, и Анн Л’Юлье из Лундского университета в Швеции получат награду «за экспериментальные методы генерирования аттосекундных импульсов света для изучения динамики электронов в веществе». Как отмечается в решении Нобелевского комитета, лауреаты 2023 года продемонстрировали способ создания чрезвычайно коротких импульсов света, которые могут быть использованы для измерения быстрых процессов, в которых происходит движение электронов или изменение их энергии. В мире электронов изменения происходят за несколько десятых долей аттосекунд, а аттосекунды настолько коротки, что в одной секунде их столько, сколько секунд прошло с рождения Вселенной.
«Для изучения очень быстрых процессов нужно что-то очень быстрое, — отметил в ходе пресс-конференции член Нобелевского комитета по физике профессор Матс Ларссон.
В экспериментах, которые в разное время независимо друг от друга проводили лауреаты, генерировались импульсы света, измеряемые в аттосекундах, и эти импульсы могли быть использованы для представления процессов внутри атомов и молекул. В 1987 году Анн Л’Юлье обнаружила, что при передаче инфракрасного света через инертный газ возникает много различных обертонов света. Каждый обертон представляет собой световую волну с определенным числом циклов для каждого цикла лазерного излучения, а вызваны они взаимодействием лазерного излучения с атомами в газе. Некоторым электронам это придает дополнительную энергию, которая испускается в виде света.
Продолжая изучать этот феномен, Анн Л’Юлье заложила основы последующих открытий. В 2001 году Пьер Агостини преуспел в получении и изучении серий идущих подряд друг за другом световых импульсов, в каждой из которых импульс длился всего 250 аттосекунд. В то же самое время Ференц Крауз проводил эксперимент другого рода: он сделал возможным выделение светового импульса продолжительностью 650 аттосекунд. Достижения лауреатов позволили начать изучение процессов, за которыми прежде уследить было невозможно из-за их невероятной быстроты.
Марина АСТВАЦАТУРЯН
Нет комментариев