PRoAtom - Наука и общество в Год света

В соответствии с решением Генеральной Ассамблеи ООН, в 2015 г. проводится Международный год света и световых технологий. Эта инициатива предпринята ООН для повышения осведомлённости граждан мира о важности света в их жизни, для улучшения общественного понимания того, как оптические технологии содействуют устойчивому развитию и обеспечивают решение проблем в области энергетики, образования, сельского хозяйства, связи и здравоохранения, и для укрепления международного сотрудничества. В проекте участвует более чем 100 партнёров из 85 стран.

Официальная церемония открытия Года света (International Year of Light and Light Technology) прошла 19 января 2015 г. в штаб-квартире Организации объединенных наций по вопросам образования, науки и культуры (ЮНЕСКО) с участием полутора тысяч делегатов – ученых, представителей ООН и ЮНЕСКО, а также лауреатов Нобелевской премии по физике Жореса Алферова, Стивена Чу, Сержа Ароша и Уильяма Филипса. Объявив 2015-й годом Света, ЮНЕСКО акцентировало внимание мировой общественности на свет и световые технологии как факторы, имеющие отношение ко всем аспектам каждодневной жизни. 2015 год выбран для Международного года света в ознаменование нескольких юбилейных событий: 1000-летия публикации работы по оптике арабским ученым Исламского возрождения Ибн аль-Хайсамом; 200-летия со дня выхода в свет основополагающей статьи о волновой природе света французского физика Огюстена Жана Френеля, 150-летия работы Джеймса Клерка Максвелла по электромагнетизму, которая проложила путь световым технологиям от лазеров до мобильных телефонов, а также 100-летия с введения скорости света как ключевой величины для описания пространства и времени в эйнштейновских уравнениях общей относительности.

В программе церемонии открытия были предусмотрены выступления пяти лауреатов Нобелевской премии: Ахмеда Зевейла («Свет и жизнь»), Стивена Чу («Энергия и климатические изменения: проблемы и возможности»), Уильяма Филлипса («Эйнштейн, время и свет»), Сержа Ароша («Свет и квант») и Жореса Алферова («Эффективное преобразование и генерация света»). Выступление нашего Нобелевского лауреата Ж.И.Алферова стало одним из ярких событий церемонии открытия Международного года света.

Изначально открытие Ж.И.Алфёрова – полупроводниковые гетероструктуры использовались в DVD-плеерах, теперь они определяют развитие энергетики, связи, освещения, технологию обработки материалов. Если лазеры на полупроводниковых гетероструктурах совместить с оптическим волокном, допированным ионами редкоземельных металлов, то мощность светового потока может увеличиться на порядок. Такие совмещенные системы производит соратник Ж.И.Алфёрова – профессор Валентин Гапонцев, сочетающий в себе компетенции ученого, бизнесмена, инноватора. Эти качества позволили ему охватить 50% рынка мощных лазеров. Жорес Иванович назвал его единственным российским долларовым миллиардером, заработавшим свои деньги честным путем. Новые технологии без фундаментальных исследований появиться не могут. И только на основе более эффективных и экономически более выгодных технологий возможна смена современных углеводородных энергетических технологий.

Альтернативную энергетику позволяют развивать современные технологии в области оптоэлектроники и фотоники. Человечеству никуда не деться от того, чтобы Солнце стало альтернативным источником энергии. Нефть и газ закончатся, а солнечная энергия будет дешеветь. За последние тридцать лет 1 ватт, произведенный солнечными батареями, стал стоить в 33 раза дешевле. Солнечные батареи на полупроводниковых гетероструктурах уже функционируют на 80% коммерческих спутников связи. В Чебоксарах построен завод «Хевел» по производству солнечных панелей суммарной мощностью порядка 100 МВт в год. На полную проектную мощность завод выйдет во второй половине 2015 г., и будет производить более 700 тыс. солнечных модулей в год.

Полупроводниковые гетероструктуры определили возникновение и прогресс оптоволоконной связи, сотовой телефонии и спутниковой связи, бурное развитие полупроводниковой лазерной техники и светодиодного освещения. Вся современная фотоника, быстрая электроника, в значительной степени «солнечная энергетика» и эффективное энергосбережение основаны на их использовании.

Форум «Наука и Общество» 2015

На ежегодном Санкт-Петербургском форуме «Наука и Общество», проводимом в Год света (июнь 2015 г.), Ж.И.Алферов более подробно рассказал о создании и развитии низкоразмерных гетероструктур — квантовых ям, квантовых проволок, квантовых точек, позволивших на их основе создать лазеры, светодиоды, быстрые транзисторы, солнечные батареи. Солнечная фотоэлектрическая энергетика активно развивается на базе гетероструктур на основе полупроводниковых соединений А₃В₅ и полупроводников А₃-нитридов на кремнии. В завершении своего выступления Ж.И.Алферов процитировал фразу американского коллеги Нобелевского лауреата Стивена Чу из его выступления на открытии Международного года света: «Каменный век закончился не потому, что наступил дефицит камня, и век нефти закончится не из-за дефицита нефти. Это произойдет благодаря развитию новых технологий, и успешное будущее нашей планеты будет также определяться развитием исследований и фундаментальной науки».

В работе международного форума «Наука и общество 2015», посвященного физике и технологиям наноструктур, приняли участие 6 лауреатов Нобелевской премии по физике и химии, встреча которых в Северной столице происходит уже в девятый раз. В этом году в Петербург приехали нобелевские лауреаты: Стивен Чу, Роджер Корнберг и Юаньчжэ Ли (США), Карло Руббиа (Италия), Хироси Амано (Япония).

Основными темами обсуждения ведущих и молодых ученых России и мира стали свойства наноструктур и вопросы их приложения в электронике, компьютерных науках, новые материалы для наноструктур, метаматериалы и нанофотоника.

Первым с лекцией выступил профессор Стенфорда Стивен Чу, получивший Нобелевскую премию в 1997 г. за развитие методов охлаждения и захвата атомов с помощью лазерного излучения. С помощью лазерного охлаждения могут быть достигнуты экстремально низкие температуры порядка 10^-9 K. Согласно Ст.Чу, лазер может индуцировать порядка 10⁷поглощений в секунду, в результате чего атом может быть замедлен за миллисекунды. Наличие "вязкого" эффекта лазерных пучков в замедлении атомов получило название "оптическая патока" Чу. Благодаря "оптической патоке" и поляризационному градиенту в области противодействия лазерных лучей, были получены низкие температуры вплоть до 35 мК для натрия и 3 мК для цезия. Нобелевское открытие Стивена Чу используется практически в каждом смартфоне, некогда космической технологии, а теперь в основе GPS-навигации.

Большой интерес представляет новая разработка профессора Чу – литиевые аккумуляторы. Литий-ионные батареи сегодня являются одним из наиболее распространенных типов аккумуляторов на рынке. Но большинство из тех, что используются в основном в устройствах смартфонов и электрических автомобилей, функционируют на основе анода, выполненного из графита и кремния. Литий, благодаря малому весу и высокой плотности энергии, имеет яркое будущее в качестве анода. Но до сих пор литиевые аноды были непригодны для использования. Вступая в химическую реакцию с литиевым электролитом, они перегревались, могли воспламениться и даже взорваться. Применение защитного слоя из углеродных наносфер, образующих ячеистый щит над анодом, позволило решить проблемы литиевого анода. Углеродная поверхность наносфер уменьшает химическую реакцию, а также повышает эффективность дальнейшей переработки. В течение ближайших лет команда профессора Чу надеется усовершенствовать конструкцию батареи, увеличить эффективность и увеличить длительность ее работы до 500-1000 циклов. Благодаря этой разработке в ближайшем будущем мы сможем иметь мобильные телефоны с удвоенной или утроенной продолжительностью работы аккумулятора, а также электромобили, способные передвигаться на расстояние до 480 км на одном заряде, и стоимость их будет сопоставима с ценами на автомобили с двигателями внутреннего сгорания. По прогнозам ученого, батареи со сроком работы до 50 лет в телефонах и электромобилях могут появиться через год.

Другой Нобелевский лауреат из США Роджер Корнберг был удостоен Нобелевской премии по химии в 2006 г. за исследование механизма копирования клетками генетической информации. В 2010 г. он стал сопредседателем Научно-технического совета инновационного центра «Сколково» вместе с Жоресом Ивановичем Алфёровым.

Выступление Роджера Корнберга было посвящено транскрипции гена и революции в электронной микроскопии.

Как происходит реализация генетической информации, зачем надо переносить информацию с ДНК на РНК? Дезоксирибонуклеиновая кислота отвечает за хранение информации. Её можно назвать текстом или инструкцией. Но записанная в ДНК информация не может использоваться для синтеза белка непосредственно. Инструкция должна быть сначала переписана на посредник – РНК, рибонуклеиновую кислоту. Этот процесс переписывания называется транскрипцией. Все происходящие в клетке процессы возможны благодаря непрерывному синтезу белков, который, в свою очередь, возможен благодаря существованию РНК, выносящей из ядра информацию о будущей структуре белка. РНК возникает в результате деятельности фермента под названием РНК-полимераза. Этот фермент прочитывает последовательность нуклеотидов в гене и переписывает её на другой носитель. РНК-полимеразу, а также множество других белков, участвующих в транскрипции, изучил Роджер Корнберг. Благодаря этой работе человечество сегодня знает о процессе транскрипции очень много. Самые важные белки пересчитаны, поименованы и изучены до последнего атома. Главным объектом научных интересов Корнберга является сам процесс синтеза РНК по заложенной в ДНК инструкции, и белки, отвечающие за него.

«Десять лет, 10 тысяч литров дрожжей и один аспирант» понадобились для того, чтобы выделить из дрожжей несколько граммов белков и изучить их строение». Корнберг и его команда выращивали двухмерные белковые кристаллы на липидных мембранах, чтобы изучать их под микроскопом, и создавали трёхмерные кристаллы для рентгеноструктурного анализа. Эти данные позволили воссоздать строение огромных белковых комплексов с точностью до атома. Такие точные знания о строении позволяют смоделировать взаимодействие между ДНК, РНК и белками, и понять, какая функциональная группа отвечает за присоединение правильного нуклеотида, а какая – за стабилизацию расплетённой ДНК.

Каков же практический выход от этих сложнейших исследований? Сегодня известно много мутаций, влияющих на транскрипцию, и даже известны проявления таких мутаций. Существует множество мутаций регулирующей системы Медиатора. Они ассоциированы с раком. Это значит, что человек с мутацией Медиатора предрасположен к неправильной работе генов.

Открытие и изучение молекул, лежащих в основе заболеваний, означает и возможность разработки лечения. Один из возможных путей – поиск небольших молекул, которые смогут использоваться как лекарства, влиять на мутантный белок и изменять его работу. Альтернативный путь – создание таких молекул, которые будут исправлять нарушение. Вероятно, это будут наноструктуры. Информация по данному направлению пока неполна, но этот вопрос имеет право на существование. И однажды это будет сделано.

В этом можно быть почти уверенным, потому что «Р. Корнберг – человек, который знает, как устроена живая материя». Потому что синтез белка – это процесс, благодаря которому существуют абсолютно все возможности живых систем.

В процессе транскрипции сотня молекул белка собирается в комплекс размером в 5 миллионов Дальтон. Для того чтобы понять функционирование этого гигантского комплекса, его структура была определена с помощью электронной микроскопии и получена карта электронной плотности разрешением около 15 А. Использование новой детекторной технологии позволило перейти к расширению в 5 А. При помощи введения наночастиц золота диаметром 1.5 нм, крепко связанных со специфическими участками на поверхности белка, была предпринята попытка получить близкое к атомному разрешение. Для соединения с белком кластеры были связаны с фрагментами одноцепочечных антител. Данные кластеры также могут связываться с ДНК и лекарственными соединениями, могут использоваться в медицине как контрастная среда для визуализации, как микроэлектронные устройства, а также в других сферах.

По поводу своей работы в Координационном научном совете Сколково Р.Корнберг рассказал следующее: «НТС собирается 4 раза в год в России и других странах. Между заседаниями мы также взаимодействуем по возникающим вопросам. Работа Фонда началась 6-7 лет назад. Уже достигнут определенный успех, хотя мы всё ещё находимся в начале процесса. Цели Совета были сформулированы его лидером Ж.И.Алферовым: продвигать науку во всей России, для того чтобы восполнить потери, которые она понесла в результате недостаточного финансирования в последние 20 лет. Я согласен с мнением Ж.И.Алферова, что «Сколково – это не место, это идеология». Это крайне важные слова. Прогресс, который мы стремимся достичь, измеряется не месяцами и не годами, для этого понадобятся поколения. Но я уверен, что мы этого достигнем.

Юаньчже Ли, лауреат Нобелевской премии по химии 1986 г. (за вклад в развитие исследований динамики элементарных химических процессов) посвятил своё выступление теме перехода человеческого общества к устойчивому развитию.

На протяжении всей истории человечества планета Земля казалась бесконечно большой. Земля была такой необъятной, что воздействие человека на биосферу казалось ничтожно малым. Но после промышленной революции, особенно в XX в. все кардинально изменилось. Население Земли увеличилось с 1.5 млрд до 6 млрд в XX в. и достигло 7.2 млрд в этом году. А с развитием средств связи и передвижения размер земного шара сократился и в относительном выражении. Этот переход от «безграничности» к «ограниченности» Земли имеет серьезные последствия: от изменений климата и массового вымирания до экстремальных погодных условий. Тем не менее человеческое сообщество, которое так долго воспринимало Землю как что-то необъятное, не смогло адаптироваться к новым условиям. В ситуации, когда Земля оказалась не «бесконечной», самым главным вызовом для ученых стали проблемы, связанные с изменением климата и ухудшением состояния окружающей среды вместе с неустойчивыми моделями производства и потребления. При отсутствии немедленных действий и изменений под угрозой окажется выживание человеческого общества.

Впервые в истории человечества перед всеми людьми на Земле стоит задача научиться сообща работать и жить как одна семья в «глобальной деревне». Пришло время понять, что планета Земля ограничена в плане пространства, потенциала для ее использования и природных ресурсов. Наше будущее полностью зависит от того, насколько эффективно весь мир будет функционировать как одно сообщество. Для выживания и устойчивого развития человечества необходимо пробудиться. Это жизненно важное требование. Если мы сделаем правильный выбор на этом распутье, XXI век может стать важным поворотным пунктом, началом новой эры в истории человечества.

Лауреат Нобелевской премии по физике 2014 г. (за изобретение эффективных синих диодов, которые сделали возможным создание ярких энергосберегающих белых источников света) Хироси Амано рассказал о разработке и применении СИДов на нитриде галлия.

До конца 1990-х гг. экраны всех портативных приставок и сотовых телефонов были монохромными. Благодаря появлению синих СИДов пользователи мобильными телефонами или смартфонами могут наслаждаться цветным экраном.

Применение синих светодиодов не ограничивается лишь экранами. В сочетании с фосфором синие светодиоды могут излучать белый свет и использоваться для освещения.
СИДы на основе InGaN могут способствовать улучшению ситуации с электричеством и экономии энергии. После крупного землетрясения на востоке Японии и аварии на АЭС «Фукусима» в 2011 г. из 48-ми атомных энергоблоков Японии не функционирует ни один. До 2011 г. около 30% электричества в Японии вырабатывалось атомными реакторами. Поэтому необходим способ адаптироваться к потере 30% генерирующей мощности. По прогнозам Министерства энергетики США, к 2030 г. 70% освещения в Америке будет переведено на светодиоды, что приведет к уменьшению потребления энергии на 7%. Ожидается, что в Японии осветительные системы на СИДах проникнут на рынок гораздо раньше. По прогнозам японской аналитической компании, к 2020 г. более 70% осветительных систем будет заменено на светодиодные.

Поставляя компактные осветительные системы на светодиодах с солнечной батареей в отдаленные районы, где нет доступа к электричеству, можно будет и там по вечерам заниматься привычной деятельностью.

Сейчас Хироси Амано работает над созданием технологий изготовления мощных полупроводниковых устройств и новых энергосберегающих устройств.

Нобелевский лауреат из Италии Карло Руббиа, удостоенный премии по физике в 1984 г. за решающий вклад в проект, который привел к открытию квантов поля W- и Z-частиц, переносчиков слабого взаимодействия, рассказал студентам Политехнического университета (на лекции, проведенной в рамках Форума) об ускорителях будущего для физики астрочастиц. Исследование с их помощью позволяют изучать фундаментальные силы природы и строение материи, расширяющие границы человеческого познания.

Речь шла об экспериментах, проводившихся в ЦЕРНе. Имея группу в 100 человек, Руббиа обеспечил реализацию грандиозного проекта ЦЕРНа – постройку сверхмощного протонного ускорителя, а также создание 1200-тонной детекторной камеры, позволяющей идентифицировать и определять свойства новых частиц.

Одним из выдающихся результатов в физике астрочастиц стал успех Стандартной модели, а его вершиной - открытие частицы Хиггса (Н_о). Но наблюдать Н_о можно лишь в нескольких каналах БАК при наличии сильного фона. Может понадобиться проведение следующего этапа в гораздо более чистых условиях, как это произошло в случае с Z_о, когда после его открытия в адронном протон-антипротонном коллайдере был проведен ряд высокоточных измерений e+e-‘s в Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP). Каналы распада Н_о, излучение Н_о, диаграммы рождения Н_о, диаграммы двойного Н_о — все это еще должно быть тщательно изучено, для чего необходимо обеспечить массу Н_о > 500 ГэВ в чистых условиях и адекватную стоимость экспериментов. В Новой физике, признающей открытия уровня значимости 5 сигма, может потребоваться точность в 1% и меньше. Были описаны различные методы с использованием e+e-‘s, как, например, LEP-подобное кольцо или линейный коллайдер, оба из которых имеют огромные размеры. В отличие от них, новая установка для «охлаждения мюонов», которая должна быть продемонстрирована экспериментально, может предложить две комплексные μ+μ- программы: (1) кольцевой коллайдер «хиггсовской фабрики» резонансом в s-канале при массе Но = 126 ГэВ и (2) кольцо для более высоких энергий. В отличие от альтернативных решений с использованием е+е-, оба мюонных кольца (с радиусами лишь 60 м и 400 м) могут легко поместиться на территории ЦЕРН и будут иметь гораздо меньший размер и меньшую стоимость, будучи при этом более эффективными. Кроме «хиггсовской фабрики», новой важной альтернативой является «фабрика нейтрино», где вследствие распада охлажденных мюонов с высокой энергией испускаются пучки нейтрино и антинейтрино. Для того, чтобы показать возможность мюонного охлаждения, предлагается проведение первичного эксперимента по охлаждению с небольшой стоимостью.

Диалог нобелевского лауреата с политехниками коснулся не только технологии создания коллайдеров нового типа для физических исследований. Карло Руббиа поделился своими тревогами о растущем потреблении энергии, затронул самые современные аспекты развития энергетики, рассмотрел пределы использования возобновляемых источников энергии, обосновал их важную роль. В качестве одной из возможностей развития атомной энергетики, им предложена идея нового типа атомных энергетических реакторов, основанная на расщеплении ядер тория, а не урана или плутония. Главное преимущество тория перед ураном состоит в том, что в природе его намного больше. В отличие от урана торий не может поддерживать реакцию. При попадании нейтрона в атом урана последний распадается на осколки (другие химические элементы) и 2–3 нейтрона. Выделившиеся нейтроны попадают в другие атомы урана, и начинается цепная самоподдерживающаяся ядерная реакция. Торий же необходимо постоянно бомбардировать протонами, полученными в ускорителе частиц. Но зато достаточно прекратить этот процесс, как остановится выделение энергии.

Директор центра нанотехнологий, Первый проректор по научной работе Санкт-Петербургского академического университета М.В.Дубина выступил с докладом «Нанобиотехнологии в медицине будущего».

Международный проект «Геном человека», мотивировавший масштабные молекулярные и эпидемиологические исследования, направленные на детальное описание генетических и белковых изменений, на рубеже столетий был ознаменован полной расшифровкой генома человека. Из результатов внедрения этого проекта в современную клиническую практику особого внимания заслуживают «таргетные» терапевтические методы, прицельно воздействующие на генетические, протеиновые, гормональные, иммунологические мишени. Разработки в области нанобиотехнологий перспективны для повышения эффективности профилактики, диагностики и лечения основных заболеваний человека. Развитие «регуляторного» нанобиотехнологического подхода позволит осуществлять направленную коррекцию ключевых физиологических процессов в организме человека путем внедрения в клиническую практику технологий высокоточной регистрации молекулярных изменений в реальном времени с использованием нанопроводов, наномеханических и наноэлектродных сенсорных устройств. Эта область науки таит в себе множество открытий. Развитие её невозможно без творческого вовлечения в медико-биологические исследования ученых из самых разных специальностей фундаментальной физики, химии, математики и информационных технологий.

Необходимость объединения разных специальностей фундаментальных наук красной нитью прослеживалось во всех выступлениях участников Форума. За 5 дней работы Форума учеными из России, США, Франции, Германии, Великобритании, Италии, Финляндии, Японии было сделано почти 130 докладов. После выступления шести Нобелевских лауреатов в течение последующих дней на Форуме представили доклады о своих научных исследованиях менее именитые коллеги и молодые ученые.

Несмотря ни на какие политические санкции, наука ещё раз продемонстрировала свою внеграничность. Участие шести Нобелевских лауреатов в Санкт-Петербургском научном форуме лучшее тому подтверждение. Ученые из разных стран по-прежнему продолжают плодотворно общаться во имя дальнейшего развития человечества.

Материал подготовила Т.Девятова