Цивилизация
В России уходящий научный год был ознаменован всенародным признанием нанотехнологий, сулящих невиданные и немыслимые возможности индустрии будущего, и именно с открытий в этой области мы начнем обзор наиболее значимых научных достижений, способных в скором будущем перенестись из мира науки в мир простых людей.
Главным нанособытием этого года, безусловно, стал наноматериал графен.
Его открытие спровоцировало небывалый интерес среди научного сообщества, в первую очередь, благодаря необычно высокой электропроводности, обусловленной специфической электронной структурой. Сегодня уже мало кто сомневается, что рано или поздно углеродные материалы придут на смену традиционной кремниевой электронике. Они будут гораздо миниатюрнее, быстрее и экономичнее. В уходящем же году ученые смогли не только доказать существование двумерного кристалла графена в свободном виде и изучить его свойства, но и обосновать возможность получения массы двумерных систем на основе других соединений.
Еще одной интересной областью нанотехнологий, также много обсуждавшейся в уходящем году, является технология самосборки молекулярных и наноразмерных структур. Пока еще мало кто представляет себе, в каких условиях и из чего будущие нанотруженики будут по кусочкам собирать объекты привычного макромира, а также производить себе подобных. Однако уже в этом году немецким специалистам удалось заставить отдельные молекулы самостоятельно организовать упорядоченную структуру на поверхности подложки.
Стоит отметить, что в своей работе Клаус Керн и Марио Рубен использовали лишь геометрические параметры молекул. На следующем этапе ученым предстоит научиться использовать электрическую полярность молекул для создания более сложных систем как в мире супрамолекулярных образований, так и в мире наноструктур.
Вообще говоря, работы в направлении самособирающихся структур пока что выглядят очень бледно на фоне того, чему за миллиарды лет научилась природа.
Многие ученые полагают, что вместо повторного изобретения велосипеда можно гораздо эффективнее использовать и адаптировать технологии из мира живых систем.
Такой подход к настоящему времени успел выделиться в целое научное направление – биомиметику. Благодаря ему на свет в этом году появился материал с адгезионными свойствами, имитирующими способность к прилипанию мидий и ящериц, – гекконов, разработанный британскими специалистами.
Не останавливаясь на достигнутом, ученые из Индии создали адгезионную пленку, изучив способность к прилипанию лап древесных лягушек. Такие материалы выделяются среди прочих возможностью многократного использования, что обеспечит им применение в различных сферах медицинской, военной и строительной индустрии. Наверняка создатели не забудут и про массовых потребителей.
Не осталась без научных прорывов и технология химического синтеза. Специалисты в области полимеров научились применять для получения полимеров механическую энергию. Как известно, для вступления в химическую реакцию молекулы должны обладать дополнительной энергией, которую они, как правило, получают в форме теплового воздействия, давления, или света. Оказалось, что механическая энергия ультразвуковых колебаний способна полностью изменить ход реакции двух полимерных молекул и привести к образованию продукта, выход которого пренебрежимо мал при применении света или тепла в качестве возбуждающих молекулы факторов.
Метод механоактивации был известен довольно давно, однако в области полимерных молекул практически никогда не применялся, так как зачастую приводил к разрушению цепочечных молекул. Научной группе под руководством Джефрри Мура из Института штата Иллинойс в городе Урбана, США, удалось не только запустить альтернативный механизм привычной реакции, но и получить на выходе продукт, начисто лишенный примесей.
В будущем применение такого механоактивационного подхода в химии полимеров должно существенно упростить процесс получения многих новых материалов.
Другое достижение химиков-синтетиков связано с получением биологических молекул. Как правило, все они могут существовать в форме энантиомеров – пространственных изомеров, отличающихся, как наши правая и левая рука. Большинство таких молекул проявляют биологическую активность только в форме одного из хиральных изомеров. Синтез искусственных биологических молекул заданной симметрии сам по себе трудоемок и зачастую требует применения дорогих специфических катализаторов, которые, впрочем, не обеспечивают чистоты конечного продукта. Разделение же оптических изомеров – это, конечно, не разделение изотопов урана, но тоже задача не из простых.
Химики из Калифорнийского университета в Беркли в этом году впервые продемонстрировали новый тип катализаторов, позволяющих осуществлять хиральный синтез с высоким выходом конечного продукта (более 90%). Как правило, в качестве катализатора применяется комплекс переходного металла, в котором лиганды (молекулы, окружающие центральный катион) связаны с центральным атомом сильными ковалентными связями. Американцы же научились применять в качестве лигандов хиральные противоионы, притягиваемые к центральному атому (Au+1) относительно слабыми силами электростатического взаимодействия.
Кроме того, калифорнийцам удалось показать возможность комбинирования различных хиральных противоионов в синтезе биологических молекул, которая открывает широчайшие перспективы по искусственному получению огромного количества природных соединений, ранее просто недостижимых.
Особняком в этом году стоят достижения на стыке сразу трех наук – медицины, химии и биологии. Они относятся к разработке новых методов диагностики и лечения раковых заболеваний. Например, ученые научились применять наночастицы золота, чтобы буквально взрывать раковые клетки, сохраняя целостность здоровых, сумели разработать лекарства, избирательно доставляющие яды прямо к опухолям в обход здоровых тканей, а кроме того, наночастицы смогли увеличить чувствительность метода магнитной томографии, до сих пор остающейся единственным надежным инструментом в диагностике ранних стадий раковых заболеваний.
Не обошлось без прорывов и в чисто технических областях науки. Так, ученые сделали несколько важных шагов на пути к созданию квантовых вычислительных машин. Сначала они на практике смогли реализовать принцип передачи квантовой информации между двумя атомами, затем обосновали и разработали способ применения агломераций – газового конденсата Бозе-Эйнштейна – вместо отдельных атомов для хранения информации, а в довершение всего научились использовать твердотельные системы на основе фотонных кристаллов и квантовых точек в качестве схем перераспределения информации, применение которых возможно и в отрыве от квантовых компьютеров.
Немного порастерявшая свою популярность тема водородной энергетики и топливных элементов также не осталась без заметных научных свершений. Американским ученым удалось создать принципиально новый катализатор, ускоряющий процесс «холодного сжигания» топлива, оказавшийся впятеро эффективнее чистой платиновой черни – самого активного из прежде известных катализаторов водородных реакций. Кроме того, новый материал оказался существенно дешевле благодаря применению дешевой меди, повсеместно применяемой в электронной промышленности.
Гораздо более изящный метод добывания энергии из водорода и кислорода в топливных элементах , что в следующем году мы выберем правильное направление дальнейшего развития.продемонстрировали исследователи из американского штата Колорадо. Им удалось химическим путем присоединить углеродные нанотрубки к активному центру фермента-биологического катализатора и таким образом осуществить электронный перенос из мира биологических систем в мир кабелей, усилителей и трансформаторов.
Пока ученые работали только с гидрогеназой и думали о водородной энергетике, однако данный метод при подборе нужного фермента позволяет использовать энергию практически любой химической реакции. Помните электростанции искусственного разума из фильма «Матрица»?..