Химические новости

Сообщения ОТОВСЮДУ

НАНОЧАСТИЦЫ БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ СПОСОБНЫ ПРОТИВОСТОЯТЬ МИКРОБАМ

Специалисты Института проблем химической физики РАН и Института молекулярной генетики РАН обобщили известные науке данные об антимикробном и антивирусном действии наночастиц благородных металлов и широкозонных полупроводников. Их работу поддержала Программа фундаментальных исследований Президиума РАН № 27 "Основы фундаментальных исследований нанотехнологий и наноматериалов".
Самый знаменитый дезинфицирующий металл - это серебро. Его использовали еще во времена древних цивилизаций - в Греции, Риме, Финикии, Македонии. Ионы и наночастицы серебра убивают 650 видов болезнетворных микроорганизмов: бактерий, вирусов, грибов. В последние годы лечебные свойства серебра вызывают особый интерес, поскольку возрастает количество патогенных бактерий, устойчивых к антибиотикам. Устойчивость к соединениям серебра в клинике встречается гораздо реже.
Соединения серебра начали использовать, вводя их в покрытия катетеров, в хирургические повязки, антисептическую одежду, ортопедические устройства, текстильные волокна. Их применяют и для очистки и дезинфекции питьевой воды. Известно, что ионы серебра повреждают цитоплазматическую мембрану клеток и нарушают процесс клеточного дыхания. Наночастицы серебра действуют сходным образом, поскольку выделяют ионы серебра. В некоторых случаях их действие даже более выражено, чем действие ионов. Дело в том, что большинство солей серебра, попадая в биологическую среду, образуют нерастворимый осадок. Наночастицы же находятся в рабочем состоянии гораздо дольше. Не исключено, однако, что существуют и другие, еще неизвестные взаимодействия наночастиц с клетками бактерий.
Металлические наночастицы и наночастицы широкозонных металлоксидных полупроводников способны эффективно ингибировать болезнетворные организмы при облучении светом видимого или ближнего ультрафиолетового диапазонов. В отличие от жесткого ультрафиолета, который используют для дезинфекции помещений, ближний диапазон почти не опасен для высших организмов. Особенно эффективны бинарные наночастицы, состоящие из металлической и полупроводниковой частей, например, наночастицы диоксида титана с высаженными на их поверхности наночастицами серебра, золота, платины или палладия. Механизм бактерицидного действия наночастиц, активированных светом, для разных частиц различен.
При облучении видимым светом наночастицы серебра, золота и меди разогреваются на несколько градусов или несколько сотен градусов. При импульсном режиме облучения нагревается локальная область вблизи наночастицы. Это свойство можно использовать для разрушения раковых клеток и микропаразитов. Об этом сообщает Информнаука со ссылкой на Институт химической физики РАН.
Источник информации "Известия" о новостях науки, техники и образования Выпуск от 21/06/2010

ОБЪЯВЛЕНЫ ИМЕНА ЛАУРЕАТОВ ГОСПРЕМИИ В СФЕРЕ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ

Наталия АЛЕКСЕЕВА, Петр ОБРАЗЦОВ

Вчера стали известны имена лауреатов Государственной премии - престижнейшей награды, традиционно вручаемой в Кремле 12 июня, в День России. Но в отличие от прошлых лет в этом году не будет премии за заслуги в гуманитарной сфере - члены президентского Совета по культуре и искусству так и не смогли сделать окончательный выбор из множества кандидатур.
Как следует из подписанных вчера президентом указов, премии в области культуры и искусства в этом году получат поэт Евгений Евтушенко, пианист Денис Мацуев и директор Санкт-Петербургского хорового училища имени Глинки Сергей Дзевановский.
Лауреатов, которые 12 июня получат награды за свои достижения в сфере науки и технологий, оказалось пятеро. Николаю Винокурову, заведующему лабораторией Института ядерной физики Сибирского отделения РАН, премия присуждается за достижения в области разработки и создания лазеров на свободных электронах. Иначе называемые рентгеновскими лазерами. Эти устройства чрезвычайно полезны для медицинских исследований, а также для изучения строения новых, в том числе наноматериалов. За комплекс научных работ по развитию лазерно-информационных технологий для медицины премию получат три академика: Владислав Панченко, директор Института проблем лазерных и информационных технологий РАН, Александр Потапов, заместитель директора Научно-исследовательского института нейрохирургии имени Н.Н. Бурденко, и Валерий Чиссов, директор Московского научно-исследовательского онкологического института имени П.А. Герцена. Ярким примером лазерно-информационных технологий является удаление злокачественных новообразований лазером с контролем типа удаляемой биоткани тем же самым лазерным лучом.
Кроме того, академик Валентин Пармон удостоен Госпремии за крупный вклад в развитие теории и практики каталитических методов глубокой переработки углеводородного сырья и использования возобновляемых ресурсов. Использование этих разработок позволит перейти от экспорта непереработанных нефти и газа к получению, например, ценного и дорогого высокооктанового топлива, а также современных синтетических волокон.
Премия за заслуги в гуманитарной сфере, как подтвердила вчера пресс-секретарь президента Наталья Тимакова, в этом году вручаться не будет. Обсуждалось множество кандидатур, однако, как сказал заместитель председателя Совета по культуре при президенте Михаил Пиотровский, совет "своего решения не принял, и голосование по присуждению премии в области гуманитарной деятельности не проводилось, соответственно президенту рекомендации совета не передавались". В числе кандидатур были, например, писатель Валентин Распутин, академик Евгений Чазов, кинорежиссер Анджей Вайда (в отличие от других премия в гуманитарной сфере может присуждаться иностранному гражданину), но члены совета так и не смогли прийти к единому мнению.
Источник информации "Известия" о новостях науки, техники и образования Выпуск от 10/06/2010

ОТКРЫТЫ НОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОМАТЕРИАЛОВ

На микроскопических масштабах вещества ведут себя иначе. Профессор биомедицинских наук из Мичиганского университета исследовал новый случай такого поведения материала, изучение которого может привести к созданию быстрых и менее дорогих портативных диагностических устройств и раздвинуть границы в проектировании микромеханических устройств и лабораторий на микросхемах.
В макромире материалы, называемые проводниками, эффективно проводят электрический ток, а изоляторы, или диэлектрики, электричество не проводят, разве что к ним приложат очень высокое напряжение, которое вызовет пробой. В условиях экстремальных напряжений, например при ударе молнии в крышу, диэлектрик (в данном случае кровля крыши) подвергается необратимым разрушениям.
Однако, согласно данным Алана Ханта, на наномасштабе все выглядит по-другому. Его исследовательской группе удалось пропустить электрический ток через тонкую полоску стекла, не повредив при этом диэлектрик.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.
По утверждению ученого, такое явление возможно только на наноуровне, в макромасштабе диэлектрик нагревается до экстремальных температур и разрушается.
На наноуровне диэлектрик становится чрезвычайно тонким, что позволяет получить его пробой при совсем небольших напряжениях. Кроме того, изолятор не будет разрушаться, поскольку при таких размерах тепло с поверхности рассеивается чрезвычайно быстро.
Проводящие нанополоски стекла, названные ученым жидкими стеклянными электродами, получают с помощью лазера, испускающего импульсы света с частотой более 1015 Гц.
Стеклянные электроды идеально подходят для использования в так называемых "lab-on-a-chip" устройствах, которые объединяют функции целой лаборатории на одной миллиметровой или сантиметровой микросхеме. Устройства можно применять для оперативного определения заболеваний, количества вредных примесей в еде, количества отравляющих газов в воздухе и т.д. Однако эти устройства требуют наличия источника питания и сейчас для их питания используются обычные электрические провода. Вставить эти провода в миниатюрные устройства является достаточно сложной задачей для инженеров. Разработанные наноэлектроды можно встраивать непосредственно в такие устройства.
Открытие произошло случайно. Два канала в экспериментальном наножидкостном устройстве легли неправильно, но ученые заметили, что электричество все-таки проходит через устройство.
Исследователи были удивлены тем, что получили результат, противоположный общепринятому мнению о непроводящих материалах. В следующем исследовании ученым стала понятна причина такого поведения.
Работа называется "Жидкие стеклянные электроды для нанофлюидики" (Liquid glass electrodes for nanofluidics). Об этом сообщает Информнаука со ссылкой на nanowerk.com.
Источник информации: "Известия" о новостях науки, техники и образования Выпуск от 9/06/2010

УЧЕНЫЕ ОБЪЯСНИЛИ ХИМИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ БЛАГОТВОРНОГО ВЛИЯНИЯ СПОРТА НА ОРГАНИЗМ

Ученым впервые удалось показать химические изменения, происходящие в человеческом организме в результате физических нагрузок, и выявить разницу в них у физически более и менее подготовленных людей, что поможет медикам выяснить и научиться использовать механизмы благотворного влияния спорта на здоровье человека, сообщает РИА "Новости" со ссылкой на статью исследователей, опубликованную в журнале Science Translational Medicine.
"Нам всем хорошо известно, что физические нагрузки благотворно сказываются на внешнем облике и здоровье человеческого организма, однако механизмы этого благотворного влияния до сих пор изучены учеными в очень ограниченной степени", - сказал один из ведущих авторов публикации Роберт Герцен из Центральной больницы штата Массачусетс в США в интервью Американскому обществу содействия развитию науки, выпускающему журнал.
С помощью новейших методик масс-спектроскопического анализа Герцен и его коллеги сумели провести одновременный мониторинг изменения концентрации более 200 биологических молекул, содержащихся в крови людей до, во время и после десятиминутных интенсивных упражнений. Эти биологические молекулы, называемые метаболитами, образуются в результате протекания в организме определенных химических процессов - переработки энергии, сжигания жиров и так далее. Авторы исследования сумели показать, что химические изменения в организме людей, обладающих различной физической подготовкой, протекают в различной степени.
Например, концентрация глицерина в крови, отражающего степень протекания процессов сжигания запасенных организмом жиров, у более подготовленных людей во время упражнений увеличивается примерно на 100%, тогда как у физически неподготовленных добровольцев в ходе экспериментов это изменение оказалось более чем в два раза меньшим.
"Мы показали, что эти химические изменения возникают в организме очень быстро и сохраняются в течение долгого времени после окончания тренировки, и именно они могут запускать химические преобразования в организме, отвечающие за пользу от занятий спортом для сердечно-сосудистой системы, увеличение продолжительности жизни и репродуктивных способностей людей и так далее", - прокомментировал работу Грегори Льюис, коллега Герцена.
Ученые также показали, что у добровольцев, принимавших участие в Бостонском марафонском забеге, это увеличение было особенно выраженным и составило 1128% по отношению к обычному уровню этого вещества в крови.
"Наши результаты могут быть применимы для развития как диагностических методов для отслеживания и улучшения способностей людей справляться с физическими нагрузками, так и для разработки методов снижения влияния сердечных заболеваний или диабета на качество жизни людей с помощью изменения содержания метаболитов в их крови, - сказал Герцен. - Определение метаболитов, в значительной степени расходуемых в ходе упражнений и нуждающихся в пополнении по мере тренировок, также может привести к появлению нового поколения спортивного питания и напитков, помогающих здоровым спортсменам показывать наилучшие результаты".

МИФЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Г.В.ЭРЛИХ доктор химических наук

Любой вид человеческой деятельности обрастает мифами. Нанотехнологии, главный научно-технологический проект современности, не исключение. Более того, здесь мифотворчество касается самой сути. Большинство людей, даже принадлежащих к научному сообществу, убеждены, что нанотехнологии - это в первую очередь манипулирование атомами и конструирование объектов посредством сборки из атомов. Это - главный миф.
Научные мифы имеют двоякую природу. Одни порождаются неполнотой нашего знания о природе или недостатком информации. Другие создаются сознательно, с определенной целью. В случае нанотехнологий мы имеем второй вариант. Благодаря этому мифу и вытекающим из него следствиям удалось привлечь внимание власть имущих и резко ускорить запуск проекта "Нанотехнологии" с автокаталитическим ростом объема инвестиций. В сущности, это было небольшое шулерство, вполне допустимое правилами игры на высшем уровне. Миф сыграл свою благотворную роль инициатора процесса и был благополучно забыт, когда дело дошло собственно до технологий.
Но мифы обладают удивительным свойством: родившись, они начинают жить собственной жизнью, демонстрируя при этом поразительную живучесть и долголетие. Они настолько прочно укореняются в сознании людей, что влияют на восприятие действительности. Реальные нанотехнологические процессы, как зарубежные, так и проекты "Роснано", в корне противоречат мифу, что порождает сумятицу в головах (большинство людей до сих пор не понимает, что такое нанотехнологии), неприятие (это не настоящие нанотехнологии!) и даже отрицание нанотехнологии как таковых.
Помимо главного мифа история нанотехнологий являет нам несколько сопутствующих мифов, которые возбуждающе действуют на разные группы населения, порождая необоснованные надежды у одних и панический страх у других.

Миф об отце-основателе

Самый безобидный в череде мифов - приписывание Ричарду Фейнману, специалисту в области квантовой теории поля и физики элементарных частиц, роли отца-основателя нанотехнологии. Этот миф возник в 1992 году во время выступления пророка нанотехнологии Эрика Дрекслера перед сенатской комиссией на слушаниях на тему "Новые технологии для устойчивого развития". Для продавливания придуманного им нанотехнологического проекта Дрекслер сослался на высказывание нобелевского лауреата по физике, незыблемый авторитет в глазах сенаторов.
К сожалению, Фейнман скончался в 1988 году и поэтому не мог ни подтвердить, ни опровергнуть это высказывание. Но если бы он мог его услышать, то, скорее всего, весело рассмеялся бы. Он был не только выдающимся физиком, но и знаменитым шутником, недаром его автобиографическая книга носила название: "Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!" Соответственно была воспринята та самая прославленная речь Фейнмана, которую он произнес на предновогоднем ужине Американского общества физики в Калифорнийском технологическом институте. По воспоминаниям одного из участников того собрания американского физика Пола Шликта: "Реакцию зала в общем и целом можно назвать веселой. Большинство подумало, что докладчик валяет дурака".
Но слова: "Известные нам принципы физики не запрещают создавать объекты "атом за атомом". Манипуляция атомами вполне реальна и не нарушает никаких законов природы", - были сказаны, это факт. Остальное представляло собой рассуждения на тему миниатюризации вкупе с футурологическими прогнозами. По прошествии четверти века некоторые из высказанных Фейнманом идей были "творчески" развиты Эриком Дрекслером и породили главные мифы нанотехнологии. Далее мы будем часто возвращаться к этой речи, чтобы напомнить, что на самом деле говорил Фейнман, а заодно получить удовольствие от четкости и образности формулировок великого ученого.

Миф о безотходной технологии

Создавая объект атом за атомом, мы, очевидно, применяем безотходную технологию. Слово "очевидно" употреблено здесь в самом что ни есть первозданном смысле - когда люди, в первую очередь чиновники, смотрят на картинки, изображающие процесс манипулирования атомами, они не видят никаких отходов, никаких дымящих труб, загрязняющих атмосферу, и промышленных стоков, загрязняющих водоемы. По умолчанию понятно, что для перетаскивания почти невесомого атома на расстояние в несколько нанометров требуется ничтожное количество энергии. В общем, идеальная технология для "устойчивого развития" - концепции, чрезвычайно популярной в 90-е годы прошлого столетия.
Вопрос, откуда появляются атомы для сборки, почти неприличен. Естественно, со склада, откуда их, наверно, доставляют экологически чистые электрокары. Подавляющая часть населения вообще слабо представляет, откуда что берется. Например, материалы, из которых сделаны различные промышленные товары, которые мы потребляем во все большем количестве. Связь этих товаров с химической промышленностью не просматривается. Химия как наука скучна и не очень нужна, а химическая промышленность как безусловно вредная для окружающей среды подлежит закрытию.
Помимо всего прочего, химическая промышленность, по мнению большинства, хищнически расходует природные ресурсы, используя для своих процессов нефть, газ, руды, минералы. А для новой технологии, как представляют ее приверженцы, нужны лишь атомы: вот в этом отсеке склада у нас хранятся атомы золота, в следующем - атомы железа, потом атомы натрия, атомы хлора, в общем, вся Периодическая система Менделеева. Вынуждены разочаровать авторов этой идиллической картины: атомы сами по себе, за исключением атомов инертных газов, существуют лишь в вакууме, во всех остальных условиях они вступают во взаимодействие с себе подобными или другими атомами, в химическое взаимодействие с образованием химических соединений. Такова природа вещей, и с этим ничего нельзя поделать.
Любая технология требует некоторых приспособлений, средств производства, которые также ускользают от внимания апологетов сборки объектов из атомов. Впрочем, иногда, наоборот, привлекают их внимание и потрясают до глубины души. Действительно, туннельные и силовые микроскопы - это красивейшие устройства, зримое свидетельство мощи человеческого разума. И в целом лаборатории, в которых занимаются манипулированием атомами, являют образ технологий будущего в духе "Третьей волны" Элвина Тоффлера: так называемые чистые комнаты с кондиционированием и специальной очисткой воздуха, устройства, исключающие малейшую вибрацию, оператор в специальной одежде с университетским дипломом в кармане.
Все это тоже будут безотходно собирать из атомов? Включая фундамент, стены и крышу помещений? Полагаем, что утвердительно ответить на этот вопрос не рискнут даже самые ярые приверженцы этой технологии.
Человечество когда-нибудь создаст безотходные, экологически чистые технологии, но они будут основаны на других принципах или на принципиально другой технике.

Миф о наномашинах

Собственно, изначально речь и шла о другой технике. Идея о том, что для конструирования на наноуровне необходимо иметь манипулятор соответствующего размера, очевидна. Вот как видел реализацию этой идеи Ричард Фейнман:
"Предположим, что я изготовил набор из десяти рук-манипуляторов, уменьшенных в четыре раза, и присоединил их проводами к исходной системе рычагов управления, так что эти манипуляторы одновременно и точно повторяют мои движения. Затем я вновь изготовлю набор из десяти манипуляторов в четверть нормальной величины. Естественно, что первые десять манипуляторов при этом изготовят 10 х 10 = 100 штук манипуляторов, уменьшенных, однако, уже в 16 раз...
Ничто не мешает продолжить этот процесс и создать сколько угодно крошечных станков, поскольку это производство не имеет ограничений, связанных с размещением станков и их материалоемкостью... Понятно, что это сразу снимает и проблему стоимости материалов. В принципе мы могли бы организовать миллионы одинаковых миниатюрных заводиков, на которых крошечные станки непрерывно сверлили бы отверстия, штамповали детали и т. п.".
Этот подход - прямолинейная реализация идеи создания миниатюрных устройств. Он, пусть и со многими ограничениями, работает на микроуровне, подтверждением чему служат так называемые микроэлектромеханические устройства. Их используют в системах раскрытия подушек безопасности в автомобилях при авариях, в лазерных и струйных принтерах, в датчиках давления, в бытовых кондиционерах и в индикаторах уровня топлива в бензобаке, в кардиостимуляторах и в джойстиках игровых приставок. Разглядывая их под микроскопом, мы увидим привычные нам шестеренки и валы, цилиндры и поршни, пружины и клапаны, зеркала и микросхемы.
Но нанообъекты обладают свойствами, отличными от свойств макро- и микрообъектов. Если мы найдем способ, как пропорционально уменьшить размер транзисторов с сегодняшних 45-65 нм до 10 нм, то они просто не будут работать, потому что электроны начнут туннелировать через слой изолятора. А соединительные провода истончатся до цепочки атомов, которые и ток будут проводить не так, как массивные образцы, и станут разбредаться в стороны из-за теплового движения или, наоборот, собираться в кучку, забыв о задаче поддержания электрического контакта.
То же относится и к механическим свойствам. При уменьшении размера растет отношение площади поверхности к объему, а чем больше поверхность, тем больше трение. Нанообъекты буквально приклеиваются к другим нанообъектам или к поверхностям, которые для них вследствие их собственной малости кажутся ровными. Это полезное качество для геккона, который легко шагает по вертикальной стене, но крайне вредное для любого устройства, которому надо ехать или скользить по горизонтальной поверхности. Для того чтобы просто сдвинуть его с места, придется затратить непропорционально много энергии.
С другой стороны, мала инерция, движение быстро прекращается. Нетрудно сделать наномаятник - прицепить частицу золота диаметром в несколько нанометров к углеродной нанотрубке диаметром 1 нм и длиной в 100 нм и подвесить его к пластинке кремния. Но этот маятник, если раскачать его в воздухе, почти сразу остановится, потому что даже воздух - существенное препятствие для него.
У нанообъектов, как говорится, высокая парусность, их вообще легко сбить с пути истинного. Многие, наверно, наблюдали в микроскопе броуновское движение - беспорядочные метания мелкой твердой частички в воде. Альберт Эйнштейн еще в 1905 году объяснил причину этого явления: молекулы воды, находящиеся в постоянном тепловом движении, ударяются о поверхность частицы, и нескомпенсированность силы ударов с разных сторон приводит к тому, что частица приобретает импульс в том или ином направлении. Если уж частица размером 1 мкм чувствует силу ударов маленьких молекул и изменяет направление движения, то что говорить о частице размером 10 нм, которая весит в миллион раз меньше и для которой соотношение веса к площади поверхности меньше в 100 раз.
И тем не менее в научной и научно-популярной литературе, особенно в публикациях СМИ, постоянно встречаются описания нанокопий различных механических деталей, шестеренок, гаечных ключей, колес, осей и даже редукторов. Предполагается, что из них будут созданы действующие модели наномашин и других устройств. Не надо относиться к этим работам с излишней серьезностью, осуждая, недоумевая или восхищаясь. "Я лично убежден, что мы, физики, могли бы решать такие задачи просто ради интереса или забавы", - сказал Ричард Фейнман. Физики шутят...
На самом деле они полностью отдают себе отчет в том, что для создания наномеханических или наноэлектромеханических устройств необходимо использовать конструкционные подходы, отличные от макро- и микроаналогов. И здесь для начала даже изобретать ничего не надо, потому что природа за миллиарды лет эволюции создала столько различных молекулярных машин, что нам всем десяти лет не хватит, чтобы в них разобраться, скопировать, приспособить для своих нужд и попытаться что-то улучшить.
Наиболее известный пример природного молекулярного мотора - так называемый флагеллярный мотор бактерий, о котором "Химия и жизнь" уже писала ( см. статью "Молекулярные машины", "Химия и жизнь", 2010 , № 2). Другие биологические машины обеспечивают сокращение мышц, биение сердца, транспорт питательных веществ и перенос ионов через клеточную мембрану. Кпд молекулярных машин, превращающих химическую энергию в механическую работу, во многих случаях близок к 100%. При этом они чрезвычайно экономичны, например на работу электромоторов, обеспечивающих движение бактерии, затрачивается менее 1% энергетических ресурсов клетки.
Мне представляется, что описанный биомиметический (от латинских слов "биос" - жизнь и "миметис" - подражание) подход - наиболее реалистичный путь создания наномеханических устройств и одна из тех областей, где содружество физиков и биологов на ниве нанотехнологий может принести ощутимые результаты.

Миф о нанороботах

Предположим, что мы создали на бумаге или на экране компьютера эскиз наноуст-ройства. Как бы его собрать, и желательно не в одном экземпляре? Можно, следуя Фейнману, создать "крошечные станки, которые непрерывно сверлили бы отверстия, штамповали детали и т. п." и миниатюрные манипуляторы для сборки готового изделия. Эти манипуляторы должны управляться человеком, то есть иметь некую макроскопическую оснастку или, по крайней мере, действовать согласно заданной человеком программе. Кроме того, необходимо как-то наблюдать за всем процессом, например, с помощью электронного микроскопа, также имеющего макроразмеры.
Альтернативную идею выдвинул в 1986 году американский инженер Эрик Дрекслер в футурологическом бестселлере "Машины созидания". Выросший, как все люди его поколения, на книгах Айзека Азимова, он предложил использовать для производства наноустройств механические машины соответствующих (100-200 нм) размеров - нанороботы. Речь уже не шла о сверлении и штамповке, эти роботы должны были собирать устройство непосредственно из атомов, поэтому они были названы ассемблерами - сборщиками. Но подход оставался чисто механическим: сборщик был оснащен манипуляторами длиной в несколько десятков нанометров, двигателем для перемещения манипуляторов и самого робота, включая упомянутые ранее редукторы и передачи, а также автономным источником энергии. На круг выходило, что наноробот должен состоять из нескольких десятков тысяч деталей, а каждая деталь - из одной-двух сотен атомов.
Проблема визуализации атомов и молекул как-то незаметно растворилась, казалось вполне естественным, что наноробот, оперирующий объектами сопоставимых с ним размеров, "видит" их, как человек видит гвоздь и молоток, которым он забивает этот гвоздь в стену.
Важнейшим узлом наноробота был, конечно, бортовой компьютер, который управлял работой всех механизмов, определял, какой атом или какую молекулу следовало захватить манипулятором и в какое место будущего устройства их поставить. Линейные размеры этого компьютера не должны были превышать 40-50 нм - это как раз размер одного транзистора, достигнутый промышленной технологией нашего времени, через 25 лет после написания Дрекслером книги "Машины созидания".
Но ведь Дрекслер и адресовал свою книгу в будущее, в далекое будущее. На момент написания книги ученые еще не подтвердили даже принципиальную возможность манипулирования отдельными атомами, не говоря о сборке из них хоть каких-нибудь конструкций. Это случилось лишь через четыре года. Устройство, использованное для этого впервые и используемое до сих пор - туннельный микроскоп, - имеет вполне осязаемые размеры, десятки сантиметров в каждом измерении, и управляется человеком с помощью мощного компьютера с миллиардами транзисторов.
Но мечта-идея о нанороботах, собирающих материалы и устройства из отдельных атомов, была настолько красивой и заманчивой, что это открытие лишь придало ей убедительности. Не прошло и нескольких лет, как в нее уверовали далекие от науки сенаторы США, журналисты, а с их подачи - общественность и, что совсем удивительно, сам автор, который продолжал отстаивать ее даже тогда, когда ему доходчиво объяснили, что идея нереализуема в принципе. Аргументов против таких механических устройств множество, приведем лишь самый простой, выдвинутый Ричардом Смолли: манипулятор, "захвативший" атом, соединится с ним навеки вследствие химического взаимодействия. Смолли был лауреатом Нобелевской премии по химии, в этом, наверно, было дело.
Но идея продолжала жить своей жизнью и дожила до наших дней, заметно усложнившись и дополнившись различными приложениями.

Миф о медицинских нанороботах

Наиболее популярен миф о миллионах нанороботов, которые будут шнырять по нашему организму, диагностировать состояние различных клеток и тканей, ремонтировать поломки с помощью наноскальпеля, рассекать и демонтировать раковые клетки, наращивать костную ткань сборкой из атомов, соскребать холестериновые бляшки с помощью нанолопатки, а в мозгу избирательно разрывать синапсы, ответственные за неприятные воспоминания. И еще докладывать о проделанной работе, передавая через наноантенну сообщения вроде: "Алекс - Юстасу. Выявлено повреждение митрального клапана. Поломка устранена".
Именно последнее вызывает серьезную озабоченность общественности, ведь это разглашение частной информации - сообщение наноробота может быть получено и расшифровано не только врачом, но и посторонним. Эта обеспокоенность подтверждает, что во все остальное люди верят безоговорочно. Как и в нанороботов-шпионов, в "умную пыль", которая будет проникать в наши квартиры, наблюдать за нами, подслушивать наши разговоры и опять же передавать полученные видео- и аудиоматериалы посредством нанопередатчика с наноантенной. Или в нанороботов-убийц, поражающих людей и технику с помощью нанозарядов, возможно, даже ядерных.
Самое удивительное, что почти все описанное может быть создано (а что-то уже создано). И инвазивные диагностические системы, сообщающие о состоянии организма, и лекарственные средства, действующие на определенные клетки, и системы, очищающие наши сосуды от атеросклеротических бляшек, и наращивание костной ткани, и стирание воспоминаний, и невидимые системы дистанционного слежения, и "умная пыль".
Однако все эти системы настоящего и будущего не имеют и не будут иметь никакого отношения к механическим нанороботам в духе Дрекслера, за исключением размера. Они будут созданы совместными усилиями физиков, химиков и биологов, ученых, работающих на ниве синтетической науки, называемой нанотехнологиями.

Миф о физическом методе синтеза веществ

В своей лекции Ричард Фейнман невольно выдал тайную вековечную мечту физиков:
"И наконец, размышляя в этом направлении (возможности манипулирования атомами. - Г.Э.), мы доходим до проблем химического синтеза. Химики будут приходить к нам, физикам, с конкретными заказами: "Слушай, друг, не сделаешь ли ты молекулу с таким-то и таким-то распределением атомов?" Сами химики используют для приготовления молекул сложные и даже таинственные операции и приемы. Обычно для синтеза намеченной молекулы им приходится довольно долго смешивать, взбалтывать и обрабатывать различные вещества. Как только физики создают устройство, способное оперировать отдельными атомами, вся эта деятельность станет ненужной... Химики будут заказывать синтез, а физики - просто "укладывать" атомы в нужном порядке".
Химики не синтезируют молекулу, химики получают вещество. Вещество, его получение и превращения - предмет химии, по сей день загадочный для физиков.
Молекула - это группа атомов, не просто уложенных в нужном порядке, но еще и соединенных химическими связями. Прозрачная жидкость, в которой на два атома водорода приходится один атом кислорода, может быть водой, а может быть и смесью жидких водорода и кислорода (внимание: не смешивать в домашних условиях!).
Предположим, что нам каким-то образом удалось сложить кучку из восьми атомов - двух атомов углерода и шести атомов водорода, изображенную на рисунке. Физику эта кучка представится, наверное, молекулой этана С2Н6, но химик укажет еще как минимум две возможности соединения атомов.
Пусть мы хотим получить этан методом сборки из атомов. Как это можно сделать? С чего начинать: сдвинуть два атома углерода или приставить атом водорода к атому углерода? Вопрос на засыпку, в том числе и для автора. Проблема в том, что ученые пока научились манипулировать атомами, во-первых, тяжелыми, а во-вторых, не очень ре-акционноспособными. Довольно сложные конструкции собраны из атомов ксенона, золота, железа. Как оперировать легкими и чрезвычайно активными атомами водорода, углерода, азота и кислорода, не совсем понятно. Так что с поатомной сборкой белков и нуклеиновых кислот, о которой некоторые авторы говорят как о деле практически решенном, придется повременить.
Есть еще одно обстоятельство, существенно ограничивающее перспективы "физического" метода синтеза. Как уже было сказано, химики не синтезируют молекулу, а получают вещество. Вещество состоит из огромного числа молекул. В 1 мл воды содержится ~3 х 10²² молекул воды. Возьмем более привычный для нанотехнологий объект - золото. В кубике золота объемом 1 см3 содержится ~6 х 10²² атомов золота. Сколько времени потребуется, чтобы собрать такой кубик из атомов?
Работа на атомно-силовом или туннельном микроскопе по сей день сродни искусству, недаром для нее требуется специальное и очень хорошее образование. Работа ручная: зацепи атом, перетащи на нужное место, оцени промежуточный результат. По скорости приблизительно как кирпичная кладка. Чтобы не пугать читателя немыслимыми числами, предположим, что мы нашли способ как-то механизировать и интенсифицировать процесс и можем укладывать по миллиону атомов в секунду. В этом случае на сборку кубика объемом 1 см3 мы затратим два миллиарда лет, примерно столько же, сколько потребовалось природе, чтобы методом проб и ошибок создать весь живой мир и нас самих как венец эволюции.
Именно поэтому Фейнман говорил о миллионах "заводиков", не оценивая, впрочем, их возможную производительность. Именно поэтому даже миллион нанороботов, снующих внутри нас, не решат проблемы, потому что нам не хватит жизни, чтобы дождаться результата их трудов. Именно поэтому Ричард Смолли настоятельно призывал Эрика Дрекслера исключить из публичных выступлений всякое упоминание о "машинах созидания", дабы не вводить общественность в заблуждение этой антинаучной чушью.
Так что же, на этом методе получения веществ, материалов и устройств можно ставить крест? Нет, отнюдь.
Во-первых, с помощью той же самой техники можно манипулировать не атомами, а существенно более крупными строительными блоками, например углеродными нанотрубками. При этом снимаются проблемы легких и реакционноспособных атомов, а производительность автоматически возрастет на два-три порядка. Это, конечно, еще слишком мало для настоящей технологии, но таким методом уже сейчас ученые получают в лабораториях единичные экземпляры простейших наноустройств.
Во-вторых, можно придумать множество ситуаций, когда внесение атома, наночастицы или даже просто физическое воздействие иглы туннельного микроскопа инициирует процесс самоорганизации, физических или химических превращений в среде. Например - цепной реакции полимеризации в тонкой пленке органического вещества, изменения кристаллической структуры неорганического вещества или конформации биополимера в определенной окрестности точки воздействия. Высокоточное сканирование поверхности и многократное воздействие позволят создать протяженные объекты, характеризующиеся регулярной наноструктурой.
И наконец, этим способом могут быть получены уникальные образцы - шаблоны для дальнейшего размножения другими методами. Скажем, шестиугольник из атомов металла или единичная молекула. Но как размножить единичную молекулу? Невозможно, скажете вы, это какая-то ненаучная фантастика. Почему же? Природа прекрасно умеет создавать множественные, абсолютно идентичные копии как отдельных молекул, так и целых организмов. В обиходе это называется клонированием. О полимеразной цепной реакции слышали даже люди, далекие от науки, но хотя бы раз посетившие современную медицинскую диагностическую лабораторию. Эта реакция позволяет размножить единственный фрагмент молекулы ДНК, извлеченный из биологического материала или синтезированный искусственно химическим путем. Для этого ученые используют "молекулярные машины", созданные природой, - белки и ферменты. Почему мы не можем сделать аналогичные машины для клонирования других молекул, не только олигонуклеотидов?
Рискну немного перефразировать Ричарда Фейнмана: "Известные нам принципы химии не запрещают клонировать единичные молекулы. "Размножение" молекул по образцу вполне реально и не нарушает никаких законов природы".

Миф о "серой слизи"

Элементарное соображение о чрезвычайно низкой (по массе) производительности на-нороботов, естественно, не прошло мимо внимания Эрика Дреке -лера. В мире "машин созидания" были и другие проблемы, которые мы за недостатком места не обсуждали подробно, например контроль качества, освоение выпуска новой продукции и источники сырья, откуда и как появляются атомы на "складе". Для решения этих проблем Дрекслер ввел в концепцию еще два типа устройств.
Первый - разборщики, антиподы сборщиков. Разборщик, в частности, должен изучать строение нового объекта, записывая в память нанокомпьютера его поатомную структуру. Не устройство, а мечта, мечта химиков! Несмотря на все достижения современной исследовательской техники, мы не "видим" все атомы, например, в белке. Установить точную структуру молекулы возможно только в том случае, если она вместе с миллионами других таких же молекул образует кристалл. Тогда, используя метод рентгеноструктурного анализа, мы можем определить точное, до тысячных долей нанометра, расположение всех атомов в пространстве. Это длительная, трудоемкая процедура, требующая громоздкого и дорогого оборудования.
Второй тип устройств - созидатели, или репликаторы. Их основные задачи - поточное производство сборщиков и сборка себе подобных репликаторов, то есть размножение. По замыслу их создателя, репликаторы - намного более сложные устройства, чем простые сборщики, они должны состоять из сотни миллионов атомов (на два порядка меньше, чем в молекуле ДНК) и соответственно иметь размер порядка 1000 нм. Если продолжительность их репликации будет измеряться минутами, то, размножаясь в геометрической прогрессии, они за сутки создадут триллионы репликаторов, те произведут квадрильоны специализированных сборщиков, которые приступят к сборке макрообъектов, домов или ракет.
Легко представить ситуацию, когда функционирование системы перейдет в режим производства ради производства, безудержного накопления средств производства - самих нанороботов, когда вся их деятельность сведется к увеличению собственной популяции. Такой вот бунт машин эпохи нанотехнологий. Для собственного строительства нанороботы могут получить атомы только из окружающей среды, поэтому разборщики начнут разбирать на атомы все, что попадется под их цепкие манипуляторы. В результате по прошествии какого-то времени вся материя и, что самое обидное для нас, биомасса превратятся в скопище нанороботов, в "серую слизь", как образно назвал ее Эрик Дрекслер.
Каждая новая технология порождает сценарии неотвратимого конца света, обусловленные ее внедрением и распространением. Миф о серой слизи - лишь исторически первый такой сценарий, связанный с нанотехнологиями. Но очень образный, поэтому его так любят журналисты и кинематографисты.
К счастью, такой сценарий невозможен. Если, несмотря на все сказанное выше, вы еще верите в возможность сборки чего-либо существенного из атомов, задумайтесь над двумя обстоятельствами. Во-первых, у описанных Дрекслером репликаторов не хватает сложности для создания себе подобных устройств. Ста миллионов атомов мало даже для создания управляющего процессом сборки компьютера, даже для памяти. Если предположить недостижимое - что каждый атом несет один бит информации, то объем этой памяти будет 12,5 мегабайт, а этого слишком мало. Во-вторых, у репликаторов возникнут проблемы с сырьем. Элементный состав электромеханических устройств принципиально отличается от состава объектов окружающей среды и в первую очередь от биомассы. Поиск, извлечение и доставка атомов необходимых элементов, требующие огромных затрат времени и энергии, - вот что будет определять скорость воспроизводства. Если спроецировать ситуацию на макроразмер, то это то же самое, что собирать станок из материалов, которые необходимо найти, добыть, а потом доставить с различных планет Солнечной системы. Недостаток жизненных ресурсов ставит предел безудержному распространению любых популяций, куда более приспособленных и совершенных, чем мифические нанороботы.

Заключение

Перечень мифов можно продолжить. Миф о нанотехнологи-ях как локомотиве экономики достоин отдельной статьи. Ранее в статье "Нанотехнологий как национальная идея" (см. "Химию и жизнь", 2008, № 3) мы старались развеять миф о том, что "Национальная нанотехнологическая инициатива" США - это сугубо технологический проект.
Мифом является и каноническая история нанотехнологий, ключевым событием которой считается изобретение туннельного электронного микроскопа. Последнее легко объяснимо. "Историю пишут победители", а глобальный проект под названием "Нанотехнологий", в значительной мере определяющий лицо (и финансирование) современной науки, пробили физики. За что мы все, исследователи, работающие в этой и смежной областях, выражаем физикам свою бесконечную признательность.
Мифы сыграли свою положительную роль, они породили энтузиазм и привлекли внимание политической и экономической элиты, а также общественности к нанотехнологиям. Однако на этапе практической реализации нанотехнологий пора забыть об этих мифах и перестать повторять их из статьи в статью, из книги в книгу. Ведь мифы тормозят развитие, задают неверные ориентиры и цели, порождают непонимание и страхи. И наконец, необходимо написать новую историю нанотехнологий - новой науки XXI века, области естествознания, объединяющей физику, химию и биологию.
Источник: "Химия и жизнь"
Источник информации "Известия" о новостях науки, техники и образования Выпуск от 24/05/2010

СОВРЕМЕННЫМИ СПЕЦИАЛИСТАМИ ВОССОЗДАНО УСТРОЙСТВО, ЗАПАТЕНТОВАННОЕ НИКОЛОЙ ТЕСЛОЙ В 1913 ГОДУ

Безлопастные ветряные турбины, единственным вращающимся компонентом которых является турбина/ведущий вал, способны генерировать энергию стоимостью, сопоставимой со стоимостью энергии угольных электростанций. Новая компания Solar Aero в Гемпшире недавно объявила о получении патента на ветряную турбину Fuller, которая является улучшенным вариантом устройства, запатентованного Николой Теслой в 1913 году.
Безлопастная ветряная турбина представляет собой компактный закрытый блок. Вместо разгоняемых ветром лопастей турбина Теслы состоит из набора близкорасположенных параллельных тонких металлических дисков, разделённых распорками. Когда воздух попадает в пространство между дисками, распорки устанавливаются таким образом, что придают воздуху внутреннюю движущую силу, вследствие чего диски начинают вращаться. Они соединены с осью спицами, поэтому вращение дисков обеспечивает вращение самой оси. Согласно тексту патента, такое строение турбины "обеспечивает максимальную эффективность преобразования энергии ветра в механическую энергию".
В патенте поясняется, что данный вид ветряной турбины эффективно работает при разных скоростях воздушного потока благодаря аэродинамической поверхности разделителей.
Эта особенность позволяет эффективно получать энергию при изменчивом ветре.
Согласно недавней статье в EcoGeek, если перевести эффективность турбины в конечную стоимость энергии, получим 1,50 доллара за Ватт энергии, что составляет 2/3 стоимости энергии лопастных турбин. Общие производственные затраты в течение жизненного цикла продукта оцениваются в 0,12 доллара/кВтч, что сравнимо с текущими тарифами на электроэнергию. Количество полученной энергии определяется количеством дисков.
Одним из основных преимуществ отсутствия лопастей является сокращение эксплуатационных расходов. К примеру, турбины могут располагаться на вышках, а оборудование генератора - у основания вышки, исключая необходимость подъёма на башню для ежедневного обслуживания. Турбины необходимо устанавливать достаточно высоко, чтобы на пути потока воздуха не было препятствий.
Поскольку у предлагаемой версии турбины нет лопастей, её можно устанавливать и на более низкую высоту.
Более того, фронтальная защита турбины предотвращает попадание в неё птиц и летучих мышей. Лопасти довольно трудно загрязняются, а сама конструкция может быть практически незаметна для радаров. Из-за простоты установки и обслуживания такие турбины можно будет размещать даже на крышах домов.
Кроме силы ветра, в качестве рабочего тела для разгона турбины можно использовать разогретую жидкость. Поскольку турбине под силу работать даже при относительно холодных температурах жидкости, изобретение может найти применение в ситуации, когда нужной температуры в геотермальном источнике не хватает для того, чтобы "завести" обычный паровой двигатель.
Источник: Информнаука со ссылкой на PhysOrg.com
Источник информации "Известия" о новостях науки, техники и образования Выпуск от 21/05/2010

ПИОНЕР ГЕНЕТИКИ СОЗДАЛ ПЕРВУЮ ФОРМУ СИНТЕТИЧЕСКОЙ ЖИЗНИ

Ученым впервые удалось создать организм с синтетическим геномом. Статья с описанием работы опубликована в журнале Science.
Исследователи под руководством Крейга Вентера (Craig Venter), создателя института Крейга Вентера, работали с культурами бактерий рода Mycoplasma. Экспериментальная схема создания организма с синтетическим геномом заключалась в следующем: ученые получили полную геномную последовательность ДНК Mycoplasma mycoides, а затем на основании этих данных воссоздали геном этой бактерии химическим путем. Полученную ДНК специалисты помещали в клетки бактерии Mycoplasma capricolum, из которой предварительно был удален собственный геном. Анализируя характеристики полученного гибрида, специалисты определяли, обладает ли он свойствами M. mycoides.
Несмотря на то что у бактерий Mycoplasma очень небольшой геном - около миллиона нуклеотидов - непосредственно создать его химически пока невозможно, так как цепи ДНК длиннее нескольких сотен тысяч нуклеотидов рвутся. Для того чтобы получить целый геном M. mycoides, исследователи сначала синтезировали его отдельные фрагменты (авторы назвали их кассетами), которые затем собирались в единую структуру. В качестве устройств для сборки ученые использовали клетки других бактерий и дрожжей, потому что ферментативные механизмы живых систем соединяют куски ДНК намного точнее, чем схемы, разработанные учеными.
После того как Вентер и его коллеги получили целый геном и проверили, что все кассеты соединились правильно и из ДНК не выпали большие фрагменты, они поместили его в клетки M. capricolum. По внешнему виду, параметрам поглощения питательных веществ и темпам роста полученные гибриды не отличались от "обычных" M. capricolum. В качестве дополнительной проверки исследователи выделили белки из созданных ими и появившихся естественным путем M. capricolum и сравнили составы полученных экстрактов. Они оказались практически идентичными.
Вентер и его сотрудники занимались созданием организма с синтетическим геномом не один год. Ранее они публиковали предварительные результаты этой работы: ученые отдельно получали полностью синтетический бактериальный геном, а также пересаживали "естественный" геном бактерии одного вида в клетку бактерии другого вида. В своей новой работе исследователи объединили эти результаты.
Помимо создания живых существ с искусственными геномами Вентер и его коллеги работают над проектом получения существа с минимальным геномом. Ученые последовательно вырезают из генома бактерий различные гены и проверяют, сможет ли она существовать без них. По мнению Вентера, минимальное число генов, которые могут поддерживать нормальные функции бактериальной клетки, составляет около ста. Об этом сообщает Lenta.ru со ссылкой на портал Nature News.
Источник информации "Известия" о новостях науки, техники и образования Выпуск от 21/05/2010

УЧЕНЫЕ ОБНАРУЖИЛИ НА ТИТАНЕ "ДРАГОЦЕННЫЕ КАМНИ"

На заметку искателям драгоценностей: как предполагают ученые, на Титане находятся самые крупные в Солнечной системе и необычно отполированные драгоценные камни! Обработав данные, полученные с аппарата для космических исследований Кассини, исследователи космоса пришли к выводу, что в районе долины Ксанаду на Титане (большая долина размером с Австралию к югу от экватора этого крупнейшего спутника Сатурна) есть поле, покрытое отполированными ледяными глыбами - некоторые из них более чем 2 метра в диаметре, они прекрасно отполированы и почти также прозрачны как горный хрусталь.
Ученые знали о существовании этих камней с 2005 года, когда европейский космический аппарат Гюйгенс сфотографировал поверхность Титана. Однако, ученые тогда не поняли, что их очень много и, что они отлично отполированы.
В недавнем исследовании международный коллектив ученых из лаборатории изучения реактивного движения при Калифорнийском технологическом институте, США, из французского Университета Борда, из американского Университета Джона Хопкинса в сотрудничестве с группой, работающей в рамках проекта Кассини, открыл, что полировка этих камней аналогична той, что происходит в земных условиях под действием водных течений, но на Титане "драгоценные камни" формируются под воздействием течений жидкого метана и этана в течение миллиардов лет, в результате чего достигается полировка очень высокого качества! Об этом сообщает Информнаука со ссылкой на sciencemag.org.
Источник информации "Известия" о новостях науки, техники и образования Выпуск от 21/05/2010

ПОЛУЧЕН НОВЫЙ МЕТОД ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ИЗ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

Новый дешевый метод изготовления пластин на основе арсенида галлия - полупроводника, превосходящего традиционный кремний по многим параметрам, разработали ученые, пишет журнал Nature в четверг.
По мнению исследователей, метод может быть использован для создания нового поколения многих устройств, в том числе и коммерчески оправданного производства солнечных батарей с высокой эффективностью.
Арсенид галлия является полупроводниковым соединением галлия и мышьяка, а также третьим по масштабам использования в полупроводниковой промышленности, после германия и кремния.
Хотя арсенид галлия обладает рядом преимуществ по сравнению с кремнием, до сих пор он применяется весьма ограниченно в ряде специальных устройств, где без него нельзя обойтись. В частности, он применяется при изготовлении солнечных элементов Международной космической станции (МКС). Они в два раза более эффективны по сравнению с лучшими кремниевыми аналогами. Сообщается, что основным ограничением к массовому использованию арсенида галлия является его стоимость, которая во многом определяется существующими технологиями его обработки.
Авторы исследования - группа ученых под руководством Джона Роджерса из Иллинойского университета в Урбане-Шампейн, США, разработали технологию, которая позволяет обойти наиболее дорогостоящую стадию изготовления арсенида галлия.
По методике Роджерса, арсенид галлия можно изготавливать в виде тонких пленок, наращиваемых на поверхности арсенида алюминия, после чего, при помощи тонких химических манипуляций и обычного силиконового канцелярского штемпеля, полупроводник можно от этой подложки отделить, передает РИА "Новости".
Сообщается, авторы исследования продемонстрировали применимость подобных пластин арсенида галлия для изготовления солнечных батарей. Для того, чтобы эта технология стала коммерчески оправданной, ученым предстоит научиться получать пластины больших размеров.
Как стало известно, исследователи, уже основавшие свою инновационную компанию, надеются добиться разработки солнечных батарей, стоимость которых позволит "снимать" с них 1 Ватт мощности при коммерчески оправданных затратах в 1 доллар США.
"Мы думаем, что у нас получится, однако сказать наверняка можно будет только после того, как мы действительно возьмем и сделаем это", - отметил Роджерс.
Источник информации "Известия" о новостях науки, техники и образования Выпуск от 20/05/2010

ДЕСЯТЬ САМЫХ СТРАННЫХ ОПЫТОВ В ИСТОРИИ НАУКИ

Юрий ФРОЛОВ

История естествознания полна экспериментов, заслуживающих названия странных. Описанная ниже десятка выбрана целиком на вкус автора, с которым можно не соглашаться. Одни из опытов, попавших в эту подборку, закончились ничем. Другие привели к появлению новых отраслей науки. Есть эксперименты, начатые много лет назад, но не оконченные до сих пор.

ПРЫЖКИ НЬЮТОНА

В детстве Исаак Ньютон (1643-1727) рос довольно хилым и болезненным мальчиком. В играх на свежем воздухе он обычно отставал от сверстников.
Третьего сентября 1658 года умер Оливер Кромвель, английский революционер, ненадолго ставший полновластным правителем страны. В этот день над Англией пронёсся необычайно сильный ветер. Народ говорил: это сам дьявол прилетал за душой узурпатора! Но в местечке Грэнтем, где в то время жил Ньютон, дети затеяли состязание по прыжкам в длину. Заметив, что прыгать лучше по ветру, чем против него, Исаак обскакал всех соперников.
Позже он занялся опытами: записал, на сколько футов удаётся прыгнуть по ветру, на сколько - против ветра и на какую дальность он может прыгнуть в безветренный день. Так он получил представление о силе ветра, выраженной в футах. Уже став знаменитым учёным, он говорил, что считает эти прыжки своими первыми экспериментами.
Ньютон известен как великий физик, но его первый эксперимент можно отнести скорее к метеорологии.

КОНЦЕРТ НА РЕЛЬСАХ

Был и обратный случай: метеоролог провёл эксперимент, доказавший справедливость одной физической гипотезы.
Австрийский физик Христиан Доплер в 1842 году выдвинул и теоретически обосновал предположение о том, что частота световых и звуковых колебаний должна меняться для наблюдателя в зависимости от того, движется ли источник света либо звука от наблюдателя или к нему.
В 1845 году голландский метеоролог Христофор Бейс-Баллот решил проверить гипотезу Доплера. Он нанял паровоз с грузовой платформой, посадил на платформу двух трубачей и попросил их держать ноту соль (два трубача были нужны для того, чтобы один из них мог набирать воздух, пока другой тянет ноту, и таким образом звук не прерывался). На перроне одного полустанка между Утрехтом и Амстердамом метеоролог разместил нескольких музыкантов без инструментов, но с абсолютным музыкальным слухом. После чего паровоз стал с разной скоростью таскать платформу с трубачами мимо перрона со слушателями, а те отмечали, какую ноту слышат. Потом наблюдателей заставили ездить, а трубачи играли, стоя на перроне. Опыты продолжались два дня, в результате стало ясно, что Доплер прав.
Кстати, позже Бейс-Баллот основал голландскую метеослужбу, сформулировал закон своего имени (если в Северном полушарии стать спиной к ветру, то область низкого давления будет от вас по левую руку) и стал иностранным членом-корреспондентом Петербургской академии наук.

НАУКА, РОДИВШАЯСЯ ЗА ЧАШКОЙ ЧАЯ

Один из основателей биометрии (математической статистики для обработки результатов биологических экспериментов) английский ботаник Роберт Фишер работал в 1910-1914 годах на агробиологической станции близ Лондона.
Коллектив сотрудников состоял из одних мужчин, но однажды на работу приняли женщину, специалистку по водорослям. Ради неё решено было учредить в общей комнате файф-о-клоки. На первом же чаепитии зашёл спор на извечную для Англии тему: что правильнее - добавлять молоко в чай или наливать чай в чашку, где уже есть молоко? Некоторые скептики стали говорить, что при одинаковой пропорции никакой разницы во вкусе напитка не будет, но Мюриэль Бристоль, новая сотрудница, утверждала, что легко отличит "неправильный" чай (английские аристократы считают правильным доливать молоко в чай, а не наоборот).
В соседней комнате приготовили при участии штатного химика разными способами несколько чашек чаю, и леди Мюриэль показала тонкость своего вкуса. А Фишер задумался: сколько раз надо повторить опыт, чтобы результат можно было считать достоверным? Ведь если чашек было бы всего две, угадать метод приготовления вполне можно было чисто случайно. Если три или четыре - случайность тоже могла бы сыграть роль...
Из этих размышлений родилась классическая книга "Статистические методы для научных сотрудников", опубликованная в 1925 году. Методы Фишера биологи и медики используют до сих пор.
Заметим, что Мюриэль Бристоль, по воспоминаниям одного из участников чаепития, правильно определила все чашки.
Кстати, причина того, почему в английском высшем свете принято доливать молоко в чай, а не наоборот, связана с физическим явлением. Знать всегда пила чай из фарфора, который может лопнуть, если сначала налить в чашку холодное молоко, а потом добавить горячий чай. Простые же англичане пили чай из фаянсовых или оловянных кружек, не опасаясь за их целость.

ДОМАШНИЙ МАУГЛИ

В 1931 году необычный эксперимент провела семья американских биологов - Уинтроп и Люэлла Келлог. Прочитав статью о печальной судьбе детей, росших среди животных - волков или обезьян, биологи задумались: а что, если сделать наоборот - попытаться воспитать обезьяньего детёныша в человеческой семье? Не приблизится ли он к человеку? Сначала учёные хотели переселиться со своим маленьким сыном Доналдом на Суматру, где нетрудно было бы среди орангутанов найти компаньона для Доналда, но на это не хватило денег. Однако Йельский центр по изучению человекоподобных обезьян одолжил им маленькую самку шимпанзе, которую звали Гуа. Ей было семь месяцев, а Доналду - 10.
Супруги Келлог знали, что почти за 20 лет до их эксперимента русская исследовательница Надежда Ладыгина уже пыталась воспитывать, как воспитывают детей, годовалого шимпанзёнка и за три года не добилась успехов в "очеловечивании". Но Ладыгина проводила опыт без участия детей, и Келлоги надеялись, что совместное воспитание с их сыном даст другие результаты. К тому же нельзя было исключить, что годовалый возраст уже поздноват для "перевоспитания".
Гуа приняли в семью и стали воспитывать наравне с Доналдом. Друг другу они понравились и вскоре стали неразлучны. Экспериментаторы записывали каждую деталь: Доналду нравится запах духов, Гуа его не любит. Проводили опыты: кто быстрее догадается, как с помощью палки добыть печенье, подвешенное к потолку посреди комнаты на нитке? А если завязать мальчику и обезьянке глаза и позвать их по имени, кто лучше определит направление, откуда идёт звук? В обоих тестах победила Гуа. Зато когда Доналду дали карандаш и бумагу, он сам начал что-то карябать на листе, а обезьянку пришлось учить, что можно делать с карандашом.
Попытки приблизить обезьяну к человеку под влиянием воспитания оказались скорее неудачными. Хотя Гуа часто передвигалась на двух ногах и научилась есть ложкой, даже стала немножко понимать человеческую речь, она приходила в замешательство, когда знакомые люди появлялись в другой одежде, её не удалось научить выговаривать хотя бы одно слово - "папа" и она, в отличие от Доналда, не смогла освоить простенькую игру типа наших "ладушек".
Однако эксперимент пришлось прервать, когда выяснилось, что к 19 месяцам и Дональд не блистал красноречием - он освоил всего три слова. И что ещё хуже, желание поесть он стал выражать типичным обезьяньим звуком вроде взлаивания. Родители испугались, что постепенно мальчик опустится на четвереньки, а человечий язык так и не освоит. И Гуа отослали обратно в питомник.

ГЛАЗА ДАЛЬТОНА

Речь пойдёт об эксперименте, проведённом по просьбе экспериментатора после его смерти.
Английский учёный Джон Дальтон (1766-1844) памятен нам в основном своими открытиями в области физики и химии, а также первым описанием врождённого недостатка зрения - дальтонизма, при котором нарушено распознавание цветов.
Сам Дальтон заметил, что страдает этим недостатком, только после того, как в 1790 году увлёкся ботаникой и оказалось, что ему трудно разобраться в ботанических монографиях и определителях. Когда в тексте шла речь о белых или жёлтых цветках, он не испытывал затруднений, но если цветки описывались как пурпурные, розовые или тёмно-красные, все они казались Дальтону неотличимыми от синих. Нередко, определяя растение по описанию в книге, учёному приходилось спрашивать у кого-нибудь: это голубой или розовый цветок? Окружающие думали, что он шутит. Дальтона понимал только его брат, обладавший тем же наследственным дефектом.
Сам Дальтон, сравнивая своё цветовосприятие с видением цветов друзьями и знакомыми, решил, что в его глазах имеется какой-то синий светофильтр. И завещал своему лаборанту после смерти извлечь его глаза и проверить, не окрашено ли в голубоватый цвет так называемое стекловидное тело - студенистая масса, заполняющая глазное яблоко?
Лаборант выполнил завещание учёного и не нашёл в его глазах ничего особенного. Он предположил, что у Дальтона, возможно, было что-то не в порядке со зрительными нервами.
Глаза Дальтона сохранились в банке со спиртом в Манчестерском литературно-философском обществе, и уже в наше время, в 1995 году, генетики выделили и исследовали ДНК из сетчатки. Как и следовало ожидать, в ней обнаружились гены дальтонизма.
Нельзя не упомянуть ещё о двух крайне странных опытах с органами зрения человека. Исаак Ньютон, вырезав из слоновой кости тонкий изогнутый зонд, запускал его себе в глаз и давил им на заднюю сторону глазного яблока. При этом в глазу возникали цветные вспышки и круги, из чего великий физик сделал вывод, что мы видим окружающий мир потому, что свет оказывает давление на сетчатку. В 1928 году один из пионеров телевидения, английский изобретатель Джон Бэйрд, пытался использовать человеческий глаз в качестве передающей камеры, но, естественно, потерпел неудачу.

НЕУЖЕЛИ ЗЕМЛЯ - ШАР?

Редкий пример эксперимента в географии, которая вообще-то не является экспериментальной наукой.
Выдающийся английский биолог-эволюционист, соратник Дарвина - Альфред Рассел Уоллес был активным борцом против лженауки и всяческих суеверий (см. "Наука и жизнь" № 5, 1997 г.).
В январе 1870 года Уоллес прочитал в одном научном журнале объявление, податель которого предлагал спор на 500 фунтов стерлингов тому, кто возьмётся наглядно доказать шарообразность Земли и "продемонстрирует способом, понятным каждому разумному человеку, выпуклую железную дорогу, реку, канал или озеро". Спор предлагал некий Джон Хэмден, автор книги, доказывавшей, что Земля на самом деле - плоский диск.
Уоллес решил принять вызов и для демонстрации закруглённости Земли выбрал прямолинейный отрезок канала длиной шесть миль. В начале и в конце отрезка стояли два моста. На одном из них Уоллес установил строго горизонтально 50-кратный телескоп с нитями визира в окуляре. Посреди канала, на расстоянии трёх миль от каждого моста, он поставил высокую вешку с чёрным кружком на ней. На другой мост навесил доску с горизонтальной чёрной полосой. Высота над водой телескопа, чёрного кружка и чёрной полосы была совершенно одинаковой.
Если Земля (и вода в канале) плоская, чёрная полоса и чёрный кружок должны совпасть в окуляре телескопа. Если же поверхность воды выпуклая, повторяет выпуклость Земли, то чёрный кружок должен оказаться выше полосы. Так и получилось (см. рисунок). Причём размер расхождения хорошо совпадал с расчётным, выведенным из известного радиуса нашей планеты.
Однако Хэмден отказался даже посмотреть в телескоп, прислав для этого своего секретаря. А секретарь заверил собравшихся, что обе метки находятся на одном уровне. Если некоторое расхождение и наблюдается, то это связано с аберрациями линз телескопа.
Последовал многолетний судебный процесс, в результате которого Хэмдена всё же заставили выплатить 500 фунтов, но Уоллес потратил на судебные издержки значительно больше.

ДВА САМЫХ ДОЛГИХ ЭКСПЕРИМЕНТА

Возможно, самый длительный эксперимент мира начат 130 лет назад (см. "Наука и жизнь" № 7, 2001 г.) и пока не закончен. Американский ботаник У. Дж. Бил в 1879 году закопал в землю 20 бутылок с семенами распространённых сорняков. С тех пор периодически (сначала каждые пять, потом десять, а ещё позже - каждые двадцать лет) учёные выкапывают одну бутылку и проверяют семена на всхожесть. Некоторые особо стойкие сорняки прорастают до сих пор. Следующую бутылку должны достать весной 2020 года.
Самый длительный физический эксперимент начал в университете австралийского города Брисбена профессор Томас Парнелл. В 1927 году он поместил в укреплённую на штативе стеклянную воронку кусок твёрдой смолы - вара, который по молекулярным свойствам является жидкостью, хотя и очень вязкой. Затем Парнелл нагрел воронку, чтобы вар слегка расплавился и затёк в носик воронки. В 1938 году первая капля смолы упала в подставленный Парнеллом лабораторный стакан. Вторая упала в 1947 году. Осенью 1948 года профессор скончался, и наблюдение за воронкой продолжили его ученики.
С тех пор капли падали в 1954, 1962, 1970, 1979, 1988 и 2000 годах. Периодичность падения капель в последние десятилетия замедлилась из-за того, что в лаборатории смонтировали кондиционер и стало холоднее. Любопытно, что ни разу капля не падала в присутствии кого-либо из наблюдателей. И даже когда в 2000 году перед воронкой смонтировали веб-камеру для передачи изображения в интернет, в момент падения восьмой и на сегодня последней капли камера отказала!
Опыт ещё далёк от завершения, но уже ясно, что вар в сто миллионов раз более вязок, чем вода.

БИОСФЕРА-2

Это самый масштабный эксперимент из попавших в наш произвольный список. Решено было сделать действующую модель земной биосферы.
В 1985 году более двухсот американских учёных и инженеров объединились для того, чтобы построить в пустыне Сонора (штат Аризона) огромное стеклянное здание с образцами земной флоры и фауны. Планировали герметически закрыть здание от любых поступлений посторонних веществ и энергии (кроме энергии солнечного света) и поселить здесь на два года команду из восьми добровольцев, которых сразу прозвали "бионавтами". Эксперимент должен был способствовать изучению связей в естественной биосфере и проверить возможность длительного существования людей в замкнутой системе, например при дальних космических полётах. Поставлять кислород должны были растения; вода, как рассчитывали, будет обеспечиваться естественным круговоротом и процессами биологического самоочищения, пища - растениями и животными.
Внутренняя площадь здания (1,3 га) делилась на три основные части. В первой разместились образцы пяти характерных экосистем Земли: участок тропического леса, "океан" (бассейн с солёной водой), пустыня, саванна (с протекающей через неё "рекой") и болото. Во всех этих частях поселили отобранных ботаниками и зоологами представителей флоры и фауны. Вторую часть здания отвели системам жизнеобеспечения: четверть гектара для выращивания съедобных растений (139 видов, считая тропические фрукты из "леса"), бассейны для рыбы (взяли тиляпию, как неприхотливый, быстро растущий и вкусный вид) и отсек биологической очистки сточных вод. Наконец, имелись жилые отсеки для "бионавтов" (каждому - 33 квадратных метра с общей столовой и гостиной). Солнечные батареи обеспечивали электроэнергию для компьютеров и ночного освещения.
В конце сентября 1991 года восемь человек "замуровались" в стеклянной оранжерее. И вскоре начались проблемы. Погода оказалась необычайно облачной, фотосинтез шёл слабее нормы. К тому же в почве размножились бактерии, потребляющие кислород, и за 16 месяцев его содержание в воздухе снизилось с нормальных 21% до 14%. Пришлось добавлять кислород извне, из баллонов. Урожаи съедобных растений оказались ниже расчётных, население "Биосферы-2" постоянно голодало (хотя уже в ноябре пришлось вскрыть продуктовый НЗ, за два года опыта средняя потеря веса составила 13%). Исчезли заселённые насекомые-опылители (вообще вымерло от 15 до 30% видов), зато размножились тараканы, которых никто не заселял. "Бионавты" всё же худо-бедно смогли просидеть в заточении намеченные два года, но в целом эксперимент оказался неудачным. Впрочем, он лишний раз показал, насколько тонки и уязвимы механизмы биосферы, обеспечивающие нашу жизнь.
Гигантское сооружение используется сейчас для отдельных опытов с животными и растениями.

СЖИГАНИЕ АЛМАЗА

В наше время уже никого не удивляют опыты дорогостоящие и требующие огромных экспериментальных установок. Однако 250 лет назад это было в новинку, поэтому смотреть на поразительные опыты великого французского химика Антуана Лорана Лавуазье сходились толпы народа (тем более что опыты проходили на свежем воздухе, в саду около Лувра).
Лавуазье исследовал поведение разных веществ при высоких температурах, для чего построил гигантскую установку с двумя линзами, концентрировавшими солнечный свет. Изготовить собирательную линзу диаметром 130 сантиметров и сейчас задача нетривиальная, а в 1772 году это было просто невозможно. Но оптики нашли выход: сделали два круглых вогнутых стекла, спаяли их и в промежуток между ними налили 130 литров спирта. Толщина такой линзы в центре составляла 16 сантиметров. Вторая линза, помогавшая собрать лучи ещё сильнее, была раза в два меньше, и её изготовили обычным способом - шлифованием стеклянной отливки. Эту оптику установили на огромной специальной платформе (её рисунок можно видеть в "Науке и жизни" 8, 2009 г.). Продуманная система рычагов, винтов и колёс позволяла наводить линзы на Солнце. Участники опыта были в закопчённых очках.
В фокус системы Лавуазье помещал различные минералы и металлы: песчаник, кварц, цинк, олово, каменный уголь, алмаз, платину и золото. Он отметил, что в герметически запаянном стеклянном сосуде с вакуумом алмаз при нагревании обугливается, а на воздухе сгорает, полностью исчезая. Опыты обошлись в тысячи золотых ливров.
Источник: "Наука и жизнь"

УЧЕНЫЕ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ РЕДКОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЯВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗУЮТ ДРЕВНЕРИМСКИЙ СВИНЕЦ

Пётр ОБРАЗЦОВ

Для экспериментов по обнаружению редкого физического явления - бета-распада без образования нейтрино - итальянские физики используют древнеримские свинцовые бруски.
Наблюдение безнейтринного бета-распада позволит рассчитать массу одной из самых неуловимых частиц во Вселенной - нейтрино. Нейтрино чрезвычайно слабо и редко реагируют с веществом, и поэтому их очень трудно детектировать. Одним из главных источников нейтрино является Солнце, и подсчитано, что через тело каждого землянина ежесекундно пролетает без каких-либо последствий сто триллионов нейтрино.
Нейтрино не заряжено, было теоретически предсказано Паули и лишь потом обнаружено при использовании специальных нейтринных детекторов. Название "нейтрино" придумал Ферми, и оно означает "нейтрончик", т.е. очень маленькая нейтральная частица. Практическая важность установления массы нейтрино состоит в возможности контролировать мощность атомных реакторов в режиме реального времени по количеству образующихся в реакторе нейтрино.
Нейтринные детекторы установлены в самой большой подземной лаборатории в мире в горном массиве Гран-Сассо (Италия) и требуют дополнительной защиты от радиоактивного излучения. Для этой цели итальянские физики решили использовать свинцовые бруски, обнаруженные не так давно в трюме затонувшего древнеримского корабля.
Это судно в 50 г. до н.э. везло в Италию 2 тысячи свинцовых брусков весом 33 кг каждый, которые предполагалось использовать скорее всего для изготовления водопроводных труб в домах богатых патрициев. За эти 2 тысячи лет практически полностью распался собственный радиоактивный изотоп свинца Pb-210 в этих брусках, и они оказались идеальной защитой для нейтринных детекторов.
Вот такая история с археологией и физикой элементарных частиц.

РОССИЙСКИЕ УЧЕНЫЕ ПЫТАЮТСЯ ПРЯСТЬ ПАУТИНУ

Уникальные свойства паутины давно привлекали внимание исследователей. Паутиновые нити невероятно прочны, эластичны, устойчивы к действию химических веществ и прекрасно совместимы с тканями живого организма. Ученые уже пытаются использовать белки паутинного шелка в качестве медицинских материалов, но сначала надо научиться получать искусственную паутину, не уступающую по качеству настоящей. В России эту задачу решают специалисты кафедры биоинженерии биологического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова, Государственного научного центра "ГосНИИгенетика" и Института биоорганической химии им. академиков М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН. Их работу поддерживают РФФИ и Роснаука.
Каркасная нить паутины состоит из двух белков - спидроинов 1 и 2. Чтобы получить эти белки, московские ученые синтезировали искусственные гены - аналоги гена спидроина 1 золотого паука-кругопряда (Nephila clavipes) и спидроина 2 гигантского мадагаскарского паука-кругопряда (Nephila madagascariensis). Полученные гены встроили в хромосомы метанолокисляющих дрожжей, которые и синтезировали нужные белки. Спидроины выделили, очистили и попытались получить из них искусственные нити. Для этого растворы белков вносили в специально изготовленный микроспиннерет и под давлением пропускали в сосуд с осадителем (спиртом). Нить, ниспадающая на дно сосуда, получила название "0-нити". К сожалению, до настоящей паутины ей далеко. "0-нить" много толще своего природного аналога и при этом очень хрупкая и непрочная. Она однородна по толщине, имеет гладкую поверхность и трубчатую структуру с полостью в центре. Диаметр полости около 20 мкм и окружена она губчатыми стенками толщиной от 3 до 20 мкм.
Чтобы добиться большей прочности, исследователи попытались воспроизвести процессы, которые происходят в прядильных железах паука: удаление воды, ионов натрия и хлора, введение ионов калия и протонов, понижение рН до 6,3, ориентацию белковых молекул. Для удаления воды нити обрабатывали спиртовыми растворами понижающейся концентрации (92 и 75%). Затем нити в спиртовых растворах вытягивали, чтобы ориентировать молекулы спидроинов вдоль оси нити. Последующий отжиг при 180°С зафиксировал это состояние. Затем следует этап пластификации - придание нити эластичности. Для этого паутину помещали в воду, а, чтобы она при этом не укоротилась, концы нити фиксировали и вытягивали.
Такие манипуляции значительно улучшили свойства искусственной паутины. Ее прочность на разрыв возросла, хотя и уступает в 10 раз натуральной. Кроме того, спидроиновая нить стала тоньше, и в ее составе исследователи обнаружили нанофибрилы диаметром около 20 нм, а все больше данных свидетельствует о том, что именно нанофибрилы обеспечивают уникальные механические свойства нитей паутины.
Исследователи установили, что прочность искусственных нитей, полученных из белков спидроина, значительно возрастает при увеличении степени растяжения. Ученые планируют подобрать такие условия формования, которые позволят доиться существенного уменьшения их диаметра. Пока же главный результат работы заключается в том, что создание искусственной паутины путем имитации природных процессов принципиально возможно. Об этом сообщает Информнаука со ссылкой на Институт биоорганической химии им. академиков М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН.

ХИМИКИ ПРЕДЛОЖИЛИ НОВЫЙ СПОСОБ СОЗДАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ

Химикам из Индианского университета в Блумингтоне (Indiana University Bloomington, США) удалось сделать графеновые листы пригодными к использованию в качестве солнечных батарей. Это сделано весьма необычным способом - прикреплением трехмерных "упоров" к краям листа; таким образом, удалось построить из отдельных молекул листы, содержащие до 168 атомов углерода. Посвященная работе статья должна появиться в ближайшем будущем в журнале Американского химического общества Nano Letters.
Основными проблемами наиболее популярных сейчас солнечных батарей на основе кремния является дороговизна и постепенное "выгорание". Батареи из рутения проще и дешевле в производстве, но рутений - редкий металл, и его запасы на Земле могут довольно быстро исчерпаться, если на него возникнет большой спрос. Углерод, наоборот, очень распространен, очень дешев, не токсичен и в форме графена способен поглощать свет в широком диапазоне частот. Однако проблемы с использованием графенов в качестве основы солнечных батарей велики. Для выработки достаточного количества энергии листы графена должны быть большими по площади, однако, чем больше лист, тем легче он слипается с другими листами. "Склеенные" большие листы графена сложно разделить, не повредив их, к тому же многослойная графеновая структура не способствует выработке электричества.
До сих пор лучшим предложенным решением было расщепление графита на углеродные листы и их прокладка полимерными пленками, изолирующими листы друг от друга, как в бутерброде. Однако конечный размер такого "бутерброда" получается слишком большим для удовлетворительной работы в солнечной батарее.
Автор работы, адъюнкт-профессор химии Ли Лянши (Liang-shi Li) и его коллеги пошли другим путем. Они присоединили к краям графенового листа полужесткие-полугибкие трехмерные группы, в качестве упругих "ножек" предотвращающие слипание листов. Таким образом, удалось собирать из отдельных молекул (сборка "снизу вверх") листы шириной до 168 атомов углерода, и это самые большие стабильные листы, когда-либо полученные таким методом.
Каждая дополнительная группа состоит из шестиугольного углеродного кольца и трех длинных ветвящихся "хвостов" из углерода и водорода. В силу жесткости графенового листа дополнительная группа вынуждена повернуться к нему под углом в 90 градусов; "хвосты" располагаются в пространстве произвольным образом. Два из них используются для фиксации графенового листа на месте.
Благодаря "хвостам" вся структура может без особых проблем разлагаться в органическом растворе - Ли и его коллегам удалось растворить 30 мг графеновых конструкций в 30 миллилитрах раствора. Такое свойство может пригодиться при производстве батарей.
Чтобы проверить эффективность графеновых листов в роли батарей, ученые построили рудиментарную солнечную батарею, используя оксид титана в качестве акцептора электронов. На этой батарее удалось добиться поверхностной плотности заряда в 200 мА на квадратный сантиметр и фото-ЭДС в 0,48 вольт. Графен поглощает свет в видимой и ближней инфракрасной области спектра с пиком поглощения на 591 нм (желто-оранжевый свет).
Соавторами Ли являются Ян Синь (Xin Yan), Цуй Сяо (Xiao Cui) и Ли Биньсун (Binsong Li), все с химического факультета Индианского университета в Блумингтоне. Об этом сообщает Информнаука со ссылкой на newsinfo.

УЧЕНЫЕ ОБНАРУЖИЛИ "ЧЕРНЫХ КУРИЛЬЩИКОВ" НА РЕКОРДНОЙ ГЛУБИНЕ

Пётр ОБРАЗЦОВ

На рекордной глубине в Карибском море обнаружены гидротермальные источники "черные курильщики".
Гидротермальные источники на дне океанов были впервые обнаружены около тридцати лет назад и тогда же были названы "черными курильщиками". Здесь, на границе раздвижения двух тектонических плит из глубин земли поднимаются потоки высокоминерализованной горячей воды под давлением до 250 атмосфер. Причем температура этой "горячей" воды гораздо выше температуры ее кипения при атмосферном давлении и достигает 350 градусов Цельсия. Поднимающиеся потоки воды содержат большое количество сероводорода, который реагирует с растворенными солями металлов и образует сульфиды черного цвета.
Из-за черных клубов "дыма", распространяющихся из донных разломов, эти источники и были названы "черными курильщиками".
Нерастворимые соединения образуют в местах выхода горячей воды трубки и конусы высотой десятки метров. Они буквально облеплены разнообразными уникальными живыми существами, которые, казалось бы, не могут выжить в таких экстремальных условиях.
О некоторых из них, так называемых вестиментиферах, "Известия" рассказывают в завтрашнем номере "Недели".
До сих пор "черных курильщиков" находили в Атлантическом океане на глубинах до трех километров, но недавно британские исследователи, проводившие изучение глубочайшего в Карибском море Кайманского желоба, обнаружили "курильщиков" на рекордной глубине пять километров. Это было сделано с помощью подводного аппарата Autosub6000, способного опускаться в "принципиально иной мир", как сказал участник экспедиции Брэмли Мертон.
Открытие сверхглубоководных "черных курильщиков" является, в сущности, продолжением географических открытий на планете Земля. Но не только. Особый интерес "курильщики" вызывают у исследователей, занимающихся проблемой возникновения жизни. По одной из теорий, жизнь могла зародиться именно в них. Это было подтверждено экспериментально: в реакциях с участием угарного газа и синильной кислоты, при типичных для "курильщиков" температурах и давлениях, было зафиксировано образование аминокислот - первичных единиц белков, основы жизни. И нам еще будут говорить о вреде курения!

СТАРТУЕТ ВТОРОЙ КОНКУРС ПРОЕКТОВ "ШКОЛА БУДУЩЕГО ВМЕСТЕ С INTEL" ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ

Корпорация Intel объявила о проведении второго конкурса проектов "Школа будущего вместе с Intel" по созданию образовательной среды "1 ученик: 1 компьютер" среди общеобразовательных школ России. Цель конкурса - направить лучшие достижения российской педагогической мысли на пользу развития образования, поощрить активных педагогов и продемонстрировать результаты их деятельности широкой общественности. Конкурс будет проходить с 14 апреля по 15 сентября 2010 года.
Конкурс органично вписывается в концепцию Президентской программы "Наша новая школа", которая призвана создать условия для обеспечения опережающего развития школьников. Современным ученикам необходимо изучать и использовать современные технологии, уметь осознавать новые возможности для повышения уровня образования в течение всей жизни.
К участию в конкурсе приглашаются педагоги всех общеобразовательных муниципальных школ Российской Федерации.

Критерии оценки работ

1. Инновационность идеи (использование нового для сферы российского образования ПО, либо периферийного оборудования, либо социального сервиса Web 2.0), либо использование известной технологии необычным способом.
2. Возможность масштабирования (наличие четко описанной методики для использования другими школами).
3. Достигаемый педагогический результат (что конкретно делают дети, какой образовательный или воспитательный эффект достигается).

Процедура подачи заявок

Для участия в конкурсе необходимо до 15 сентября 2010 года зарегистрироваться на сайте сообщества Intel® Education Galaxy (Образовательная галактика Intel®) www.intel.ru/edugalaxy и подать заявку, содержащую следующую информацию:
o название проекта;
o фамилия, имя, отчество и должность, а также e-mail, телефон, адрес заявителя;
o регион, область, город, название и номер школы;
o учебные предметы, которые имеют отношение к проекту;
o краткое описание (не более 100 слов);
o педагогический эффект от внедрения проекта в практику;
o детальное описание в виде файла в формате PDF;
o дополнительные материалы (кнопки: фото- и видео- материалы, выложенные на файловых ресурсах).
Конкурсные работы будут публиковаться на сайте сообщества www.intel.ru/edugalaxy по мере поступления и будут доступны для ознакомления и обсуждения всеми зарегистрированными учасниками сообщества.
1 сентября 2010 года на наиболее популярных площадках Рунета стартует "Народное голосование", в котором все желающие смогут проголосовать за наиболее понравившуюся работу. Также все работы будут оценены на основе вышеуказанных критериев экспертной комиссией конкурса, состоящей из профессиональных преподавателей, сотрудников Intel и представителей Управления образованием.
Результаты конкурса будут объявлены 19 октября 2010 года.

Призы конкурса

Победителями конкурса будут признаны не менее 15 образовательных учреждений, которые получат на безвозмездной основе не менее 25 персональных мобильных компьютеров школьника (CMPC) и смогут на основе этих компьютерных классов реализовать заявленные проекты. Кроме этого, руководители проектов будут приглашены на ежегодную конференцию "Чему и как учить в XXI веке", проводимую в Москве при поддержке корпорации Intel. Лаборатория Касперского* предоставит в качестве призов лицензии на Антивирус Касперского* 6.0.

История конкурса

Впервые такой конкурс проводился в прошлом году. Поступило более 500 заявок с проектами из всех регионов России. Основными критериями при выборе победителей стали осознание ими проектного метода обучения, практический опыт в его использовании, креативность, а также наличие в школах инфраструктуры, необходимой для развертывания компьютерных классов.
Пятнадцати общеобразовательным учреждениям, в которых работают победители конкурса, корпорация Intel безвозмездно передала персональные мобильные компьютеры школьника, а руководители проектов посетили Вторую международную конференцию "Чему и как учить в XXI веке?", которая была организована Intel в Москве в декабре 2009 г.
Проведение конкурса позволило убедиться, что в стране немало предагогов-энтузиастов, готовых к практическому использованию современных информационных технологий в учебном процессе. Вместе с тем стало очевидно, что степень информатизации образования еще далека от оптимальной.
Авторы победивших работ получили возможность создать учебную среду, в которой мобильные компьютерные технологии активно используются практически на всех уроках. Организаторы конкурса рады, что могут помочь педагогам в распространении наиболее передовых методов обучения с иcпользованием инновационных технологий "завтрашнего дня" и выражают огромную благодарность всем школам и учителям, принявшим участие в конкурсе в прошлом году и с нетерпением ожидают интересных проектов в текущем 2010, чтобы помочь в их реализации.
Источник информации "Известия" о новостях науки, техники и образования Выпуск от 14/04/2010

ТЕХНОГЕННЫЙ СЕЙСМОС: ПОЧЕМУ ВОЗНИКАЕТ НЕОЖИДАННАЯ АКТИВНОСТЬ ЗЕМНЫХ НЕДР

Александр ВОЛКОВ

В прошлом номере журнала была опубликована статья доктора геолого- минералогических наук Э. Халилова "Ждать ли геологических и климатических потрясений?". В статье участившиеся землетрясения объяснялись общей тектонической активностью планеты.
Однако причиной землетрясений не всегда бывает противоборство природных сил. Ведь человек, как это ни покажется на первый взгляд невероятным, тоже способен поколебать земную кору, простирающуюся вглубь на десятки километров. По подсчетам ученых, уже более двух сотен заметных землетрясений вызваны нашей промышленной деятельностью. Добыча природного газа и угля, строительство водохранилищ и использование геотермальной энергии - все это может привести к неожиданной активности земных недр.
Плотен, кряжист, коренаст,
Как Атлант, наддаст, надавит,
Сдвинет почвы целый пласт
И его ребром поставит.

И.В. Гете (пер. Б.Л. Пастернака)

Победный удар в Базеле

8 декабря 2006 г. в одном хорошо знакомом футбольным болельщикам городе Центральной Европы произошло землетрясение с магнитудой 3,4. Задрожали здания. Люди в испуге выбежали из своих квартир.
Этому предшествовала сцена, достойная занять место в каком-нибудь фантастическом фильме. Инженеры и строители окружили буровую установку. С глухим рокотом она заработала, все глубже вгрызаясь в подземные кладовые и вскрывая запечатанные недра земли. Струя воды под большим напором нагнеталась в скважину. Опьяненные шумом слаженно работавших частей машины, люди поначалу не заметили, как земля под их ногами стала подрагивать, словно тело, забившееся в агонии. Поначалу эти конвульсии были различимы лишь приборами. Внезапно откуда-то из подземелья донесся громкий хлопок. Следом удар зашатал здания.
Так в швейцарском Базеле при попытке использовать геотермальную энергию - именно для этого в скважину под огромным давлением накачивали воду, намереваясь разогреть ее за счет подземного тепла, - вызвали на себя гнев Земли. Потом местные власти публично оправдывались за "неожиданные, крайне негативные последствия данного проекта". Право же, редко когда можно услышать, чтобы за землетрясение кто-нибудь извинялся. Не взывать ведь понапрасну к небесам, прося объяснений!
Но в этом случае все начиналось с людей. Именно при участии городской администрации компания "Geopower AG" в мае 2006 г. начала бурить скважину глубиной 5000 м. В первую неделю декабря в эту скважину стали подавать воду, все увеличивая напор струи, чтобы расширить трещины в пластах породы. Руководство фирмы не уставало повторять, насколько экологична используемая ею технология. На большой глубине вода должна была нагреваться до температуры кипения, а затем в виде горячего пара подниматься на поверхность, чтобы вращать турбины электрогенератора. Однако когда давление воды достигло 200 бар, приборы стали фиксировать сейсмическую активность.
Экспериментальная установка была отключена. Последовало извинение. "Пардон, мы вас тряхнули" - под таким заголовком комментировала события немецкая газета "Die Zeit". Но потревоженная стихия сразу не улеглась. В январе 2007 г. в том же городе зафиксировали подземный удар магнитудой 3,2.
Между тем, затевая проект, те же чиновники и строители не задумывались о том, что в Базеле в 1356 г. произошло землетрясение, имевшее маг-нитуду 6,5. Тогда город был полностью разрушен. Теперь же творцы "победы над земной стихией" рассчитывали в худшем случае иметь дело с микроземлетрясениями, которые никто и не заметит. Однако, сами того не зная, привели в движение силы, какие не были способны обуздать.
Конечно, на этот раз природа билась с человеком, скорее, понарошку. Ни одна постройка в городе практически не пострадала. Но вот доверие к новой технологии добычи энергии было подорвано основательно. Этот эксперимент лишний раз показал, какие громадные силы мы можем пробудить, отчаянно пускаясь в свою промышленную деятельность, сооружая шахты и буря скважины, разрезая землю вдоль и поперек. Исследования свидетельствуют, что нам уже не раз удавалось вызывать всплески сейсмической активности. Горнопромышленные и газодобывающие компании сумели научиться у природы худшему - искусству вызывать землетрясения.

День повышенной добычи

По оценке геофизика Кристиана Клоуза (Klose) из Колумбийского университета, к числу техногенных катастроф можно отнести уже более 200 сильных землетрясений. Клоуз - один из немногих ученых, кто занимается этой взрывоопасной темой. Почти в половине отмеченных им случаев подземные удары сопровождали разработку полезных ископаемых в шахтах и рудниках.
Так, 13 марта 1989 г. в ГДР, в Тюрингии, обрушились стены штольни, в которой добывали калийные соли. Это привело к землетрясению с магни-тудой 5,6. Особенно пострадало расположенное по соседству местечко Фёлькерхаузен. Там пришлось снести почти все старинные здания, поскольку они уже не подлежали восстановлению.
В декабре того же года в австралийском Ньюкасле, близ Сиднея, землетрясение разрушило сотни домов. Вызвано оно было работами на местной угольной шахте, пишет Клоуз в статье, опубликованной на страницах журнала "Earth and Planetary Science Letters". Магнитуда подземного толчка достигла опять же 5,6. Но на этот раз не обошлось без жертв. "Шахтная стихия" унесла жизни 13 человек, еще 165 получили ранения. Общий ущерб составил 3,5 млрд долл. "Убытки превысили суммарную прибыль, полученную рудником за все время своего существования, начиная с 1799 г.", - отмечает Клоуз. Несмотря на доводы ученых, руководство угледобывающей компании не признало своей вины, настаивая на том, что катастрофа была вызвана естественными причинами.
Между тем, по расчетам Клоуза, из шахты было извлечено около полумиллиарда тонн угля, что заметно изменило напряженное состояние в верхнем слое земной коры. Давление на одном из ее участков стало заметно нарастать - особенно по сравнению с соседними. И вот вдоль ослабленного слоя коры произошел сдвиг.
В начале 2008 г. серия землетрясений с магнитудой до 4 произошла в одной из земель Германии - в Сааре. Были повреждены многочисленные здания, напуганы люди. Эти подземные толчки также имели техногенную природу. Они были связаны с ведущейся здесь разработкой угольных месторождений. Это было самое сильное землетрясение на территории Саара за все годы наблюдений. Его очаг находился на глубине всего одного километра. Поэтому подземные толчки особенно ощущались на поверхности, хотя обычно землетрясение подобной силы не вызывает заметных разрушений. Больше всего пострадали, кстати, сами шахты. Их стены рухнули. Земная кора, можно сказать, не столько сотряслась, сколько "обвалилась", подточенная изнутри человеком (очевидно, с подобной сейсмической активностью связано немало аварий на шахтах). Недаром сейсмологи, изучавшие последствия катастрофы, предупреждают, что даже если добыча угля в Сааре будет прекращена, заброшенные шахты и штольни станут время от времени осыпаться, а значит, в этом сейсмически безопасном регионе все так же иногда будут ощущаться подземные толчки.
Сейчас в Сааре или Руре - другом угольном бассейне Германии, где зимой 2007/2008 года были отмечены три землетрясения с магнитудой около 3, - земля источена штольнями и шахтами, как швейцарский сыр дырками или подземная Москва туннелями. Эти штольни, прорытые на протяжении многих веков, тянутся на тысячи километров. Их планировка зачастую неведома никому. В некоторых районах обширные участки местности попросту просели, опустившись на глубину до 30 м. В Руре отмечены случаи провала построек в прорытые под ними туннели.
Люди не замечают, какие опасности готовят себе сами, пока не произойдет что-нибудь непоправимое. Особого рода катастрофа грозит шведскому городу Кируна, в котором проживают около 20 тыс. человек. Прямо к городу примыкает громадный карьер, где многие десятилетия добывали железную руду. Время от времени его стенки обваливаются, он становится все шире, и когда-нибудь, предупреждают эксперты, весь город сползет в этот провал. Рано или поздно его придется снести и построить на новом месте.

Дать газа плите

Расчеты, проделанные Кристианом Клоузом, ставят под сомнение и популярный сейчас план борьбы с глобальным потеплением. Идея закачивать вглубь земли огромные количества углекислого газа подкупающе проста. Однако подобная технология, как убеждаются ученые, может вызвать сейсмическую активность даже в тех областях, где она, кажется, давно прекратилась. Что уж говорить о районах, где опасность землетрясений и теперь еще очень высока!
Между тем подобный риск вообще не учитывается авторами предлагаемых проектов. А ведь даже в средних по величине подземных хранилищах СО2 по прошествии каких-нибудь тридцати лет, отмечает Клоуз, уровень давления в толще породы повышается примерно на 0,1 атм, а это уже пороговый показатель. После этого, как свидетельствует печальный опыт шахты в Ньюкасле, землетрясение может произойти в любой момент. При планировании подземных хранилищ углекислого газа эта опасность не учитывалась. Их строительство намечено в основном там, где и производят "парниковый газ", т. е. близ электростанций и населенных пунктов, которые прежде всего и пострадают в случае подземных ударов.
Работники газовой промышленности тоже умеют будить стихию. Так, в 2004-2005 гг. в Северной Германии, где и знать ничего не знали про сейсмическую угрозу, по вине газовиков произошло два землетрясения.
20 октября 2004 г. в 8 часов 59 минут на полпути между Гамбургом и Бременом случилось то, чего не должно было быть по всем научным теориям - землетрясение, имевшее магнитуду 4,5. Его очаг находился в зоне разработки газового месторождения. В Гамбурге закачались высотные здания, потрескались стены некоторых квартир, люди в панике выбежали на улицу. Ничего подобного тут не происходило. До сих пор Северная Германия по этой части считалась одним из самых безопасных регионов нашей планеты. Здесь даже минимальная сейсмическая активность редка. Новый подземный толчок не заставил себя ждать. Уже 15 июля 2005 г. вновь задрожали дома; магнитуда этого землетрясения составила 3,8.
Причина обоих происшествий вскоре стала очевидна. Вследствие добычи газа напряженное состояние в недрах земли изменилось. Это привело к тому, что на глубине около 8 км раскрылись зоны древних разломов, что и вызвало всплеск сейсмической активности, тогда как обычно ее причиной бывает движение литосферных плит.
Все новые факты убеждают нас в том, что землетрясения в зонах разработки полезных ископаемых - прежде всего природного газа и угля - зачастую происходят вовсе не случайно. Виной тому человек - поистине геологическая сила природы. Вызванные нами самими катастрофы в сейсмически безопасных регионах могут причинить, кстати, куда больший ущерб, чем в иных местах. Ведь здесь совсем иные стандарты строительства, никак не рассчитанные на мощные подземные удары.
Между тем, как показывает зарубежный опыт, добыча природного газа часто сопровождается землетрясениями, порой достаточно сильными. Так, по оценке Клоуза, газовики Франции своим ударным трудом вызвали три землетрясения с магнитудой, равной примерно 5, и несколько подземных ударов с магнитудой около 4. В Италии еще в 1951 г. при разработке месторождения природного газа произошло землетрясение, имевшее магнитуду 5,5. Наконец, в 1983 г. достойным ответом ударили газовики Калифорнии - магнитуда 6,5.
К этой же категории техногенных катастроф Клоуз относит и два землетрясения в Узбекистане, в Газли, происшедшие в 1976 г. По его мнению, они были непосредственно связаны с добычей здесь природного газа. Как сообщает "Википедия", поселок Газли "был практически полностью разрушен землетрясением 17 мая 1976 г. в 7 часов 58 минут 33 секунды утра. Население было предупреждено сейсмологами и предварительным землетрясением 8 апреля, поэтому больших жертв не было". Магнитуда обоих событий равнялась соответственно 7,3 и 7,0. Прежде эта местность считалась "практически безопасной в сейсмическом отношении", отмечает известный российский сейсмолог Валентин Уломов, автор монографии "Сейсмичность западного Узбекистана", а потому при строительстве поселка никак не ожидали, что главным инспектором станет... подземная стихия. Последнее землетрясение с магнитудой 7,2 зафиксировали 20 марта 1984 г. Как пишет Валентин Уломов, "не исключено также, что интенсивная откачка газа из земных недр на Газлийском месторождении явилась "спусковым крючком" для сброса накопившихся к этому времени гигантских тектонических напряжений в земной коре этого района".
Как правило, газодобывающие компании ничего не хотят слышать о том, что их деятельность может привести к сейсмической катастрофе, и отказываются принимать какие-либо меры. Но есть и исключения. В Нидерландах, например, где также разрабатывают месторождения газа (и его добывают здесь больше, чем в соседней Германии), вот уже несколько лет ведется тщательный сейсмический контроль состояния недр земли в зоне добычи. Пока отмечены лишь слабые подземные толчки, способные вызвать разве что растрескивание стен старых зданий.
При строительстве геотермальных установок - мы вновь возвращаемся в Базель - землетрясений подобной силы не следует ожидать, полагают сейсмологи. В этих сооружениях нагнетаемая вода увеличивает уровень давления на небольшом участке земной коры, и, как показывает опыт, магнитуда ответного подземного удара не превышает 3,5. К тому же глубина скважин в таких случаях бывает все же слишком мала, чтобы вызвать разрушительную катастрофу.
Во французском местечке Суль-су-Форе, где геотермальная установка введена в строй в 1993 г., десять лет спустя был зафиксирован подземный толчок, имевший магнитуду 2,9 (жители, впрочем, тоже покинули свои дома). После этого события напор воды, закачиваемой в скважину, уменьшили, и впоследствии здесь не наблюдалось сейсмической активности. Установка же стала вырабатывать заметно меньше энергии.
В Австралии и Калифорнии, где используется геотермальная энергия, также отмечали слабые подземные толчки. Много вопросов у специалистов вызвало землетрясение в Сальвадоре в 2003 г. с магнитудой 4,4. Возможно, оно произошло по естественным причинам, но есть подозрения, что оно связано с использованием геотермальной энергии.

Слово товарищу Фан Сяо

Чаще всего люди проявляют поразительную беспечность, делая, кажется, все возможное, чтобы техногенная катастрофа состоялась. Мы просто отказываемся верить в то, что сами, своими силами можем вызвать крупное землетрясение.
Так, в Польше, в окрестности города Полковице, ведется добыча меди. Здесь уже несколько раз отмечались странные подземные толчки. Но это не насторожило руководство компании. Рудник будет расширен. Между тем всего в полукилометре от него сооружена дамба, и в случае сильного землетрясения "ее может прорвать", отметил краковский геолог Станислав Лазоцки, выступая в сентябре 2006 г. на конференции в Женеве.
Строительство крупных водохранилищ уже не раз приводило к землетрясениям. Ведь огромные массы воды значительно повышают давление на данный участок земной коры. В декабре 1967 г., после постройки водохранилища Койна в Индии, произошло землетрясение, имевшее магнитуду 6,3. Плотина была прорвана. Жертвами катастрофы стали 177 человек. При строительстве Асуанской плотины было отмечено землетрясение с магнитудой около 6. В момент заполнения водохранилищ Нурекской и Токтогульской ГЭС отмечалось нарастание активности слабых землетрясений.
Возможно, частично техногенной катастрофой является и майское землетрясение 2008 г. в Сычуани с магнитудой 7,8, унесшее жизни около 70 тыс. человек. Такое предположение высказали китайские ученые, сообщает журнал "Spiegel". Они обращают внимание на то, что незадолго до катастрофы здесь же, в Сычуани, близ города Дуцзянянь, было завершено строительство новой дамбы водохранилища на реке Цзипинпу. Очень вероятно, признается Фан Сяо, главный инженер группы геологических изысканий провинции Сычуань, что, не будь этой дамбы, сила землетрясения была бы значительно меньше, да и произошло бы оно лет через 100-200. В самой плотине обнаружились глубокие трещины, что может привести к затоплению города, в котором до землетрясения проживали около полумиллиона человек.
Зарубежные специалисты отмечают, что власти Китая поступают весьма опрометчиво, разрешая сооружение искусственных водохранилищ вдоль линий геологических разломов. Между тем правительство страны, стремясь решить энергетическую проблему, планирует возвести в ближайшие годы еще ряд дамб, в том числе на реке Ялун в провинции Сычуань, в верховьях Янцзы и на ее притоках, а также на территории провинции Юньнань на юге страны. Все это зоны сейсмической активности. И если опасения ученых справедливы, Китай могут ждать новые мощные землетрясения.
В последние десятилетия во всем мире строится все больше водохранилищ. Неуклонно расширяется и разработка полезных ископаемых. На покоренных нами реках, как и в наших подземных кладовых, мы ведем себя слишком бесцеремонно, не считаясь с силами природы, что дремлют в толще камня. Мы, сами того не ведая, ослабляем вековые опоры, на которых стояли наши города и поселки, создаем для них постоянный источник угрозы. Так что впору говорить вслед за Клоузом о "геомеханическом загрязнении" планеты. Нам следует быть осмотрительнее, потому что природа всегда нанесет ответный удар. За нашу беспечность нам воздастся сторицей. Источник: "Экология и жизнь"
Источник информации "Известия" о новостях науки, техники и образования Выпуск от 14/04/2010

ВПЕРВЫЕ СИНТЕЗИРОВАН 117-Й ЭЛЕМЕНТ ТАБЛИЦЫ МЕНДЕЛЕЕВА

Российские физики из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне вместе с американскими коллегами впервые в истории успешно синтезировали 117-й элемент таблицы Менделеева. Об этом сообщил в среду руководитель эксперимента академик Юрий Оганесян.
Эксперимент по синтезированию начался в июне 2009 года. Он состоял в том, что мишень из берклия-249, полученного в Окриджской национальной лаборатории (США), обстреливали ионами кальция-48 на ускорителе У-400 в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ, передает РИА "Новости".
Как рассказал Оганесян, "специалисты достоверно зафиксировали шесть событий рождения ядер 117-го элемента и заполнили, таким образом, пустовавшее до сих пор место в таблице Менделеева между 116-м и 118-м элементами".
Эксперты Лаборатории ядерных реакций имени Флерова с 1960-х годов успешно синтезируют новые элементы. Они получили 104, 105, 106, 107, 108 элементы. В этом же научном центре синтезировались впервые сверхтяжелые элементы с атомными номерами со 112 по 116 и самый тяжелый на сегодня 118-й элемент.

РОССИЙСКИЙ ТЕОРЕТИК ПОДГОТОВИЛ ПОЧВУ ДЛЯ ПРИНЦИПИАЛЬНО НОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Пётр ОБРАЗЦОВ

Российский теоретик Иван Олейник и американский экспериментатор Матиас Бацилл разработали транзистор наноразмера. В результате может возникнуть принципиально новая электроника на углероде.
Из курса средней школы мы знаем, что существуют две основные аллотропные модификации углерода - алмаз и графит. Материаловеды знают гораздо больше: карбин и фуллерен, нанотрубки и самая популярная в последнее время модификация графен. За открытие этого вещества, представляющего собой плоский слой из атомов углерода в углах шестигранника, в прошлом году получил престижную Европейскую премию имени Кёрбера наш соотечественник Андре Гейм, который до отъезда из России назывался Андреем Константиновичем Геймом (см. "Известия" от 30.04.2009).
Графен отличается чрезвычайно интересными физическими свойствами. Этот материал в зависимости от ситуации может служить и прекрасным проводником, и полупроводником, а при модифицировании - изолятором. Другими словами, из графена могут быть изготовлены практически все компоненты современной электроники. Само по себе это весьма интересно - сейчас приходится использовать десятки элементов таблицы Менделеева. (Подобную идею еще лет 30 назад высказал писатель Вадим Шефнер. В его повести "Девушка у обрыва, или Записки Ковригина" вместо металлов, дерева, пластмасс и т.д. использовалось только одно вещество аквалид, представляющее собой воду в разных состояниях.)
Участие наших соотечественников в изучении графена продолжается. Только что работающие в Университете Южной Флориды (США) российский теоретик Иван Олейник и американский экспериментатор немецкого происхождения Матиас Бацилл вырастили графен толщиной в один атом на поверхности кристалла никеля. Это не новость - так графен и выращивают. Другим способом, кстати, является простое отшелушивание слоев графена с карандашного графита.
Революционным достижением международной группы ученых является создание дефектной полоски между двумя графеновыми листами. Самое интересное, что этот дефект представляет собой не инородные атомы, а структуру из тех же самых атомов углерода, только уложенных не в шестиугольники, а в восьми- и пятиугольники. Главным свойством этой полоски наноразмера является высокая, "металлическая", электропроводность. В результате, как говорит ведущий научный сотрудник Института химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, в котором Иван Олейник защищал свою кандидатскую диссертацию, ученые получили сэндвич диэлектрик-проводник-диэлектрик, или слоистый транзистор сверхмалого размера.
Так называемый закон Мура утверждает, что количество транзисторов на кристалле удваивается каждые два года. В последнее время этот экспоненциальный рост явно замедлился, но данное достижение ученых из Университета Южной Флориды может реабилитировать этот закон. Более того, на смену кремниевой электроники может прийти графеновая - может быть, пока еще не поздно, переименовать нашу долину в Сколкове из Кремниевой в Графеновую?
Источник информации "Известия" о новостях науки, техники и образования Выпуск от 5/04/2010

УЧЕНЫЕ ПОЛУЧИЛИ НОВЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Ученые-физики установили массы верхнего и нижнего кварков с точностью, которая на порядок превышает предыдущие данные. Результаты их исследований опубликованы в журнале "Physical Review Letters".
В физике кварками называют элементарные частицы, которые входят в состав протонов и нейтронов (адроны). При этом сами частицы делятся на шесть типов - нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный и истинный.
Их определение необходимо для создания моделей, объясняющих фундаментальные физические взаимодействия. Вместе с тем, в природе кварки не встречаются в свободном состоянии, всегда существуя в тесной связи с другими частицами. Данное явление, названное конфайнментом, сильно затрудняет изучение кварков, сообщает Lenta.ru.
В ходе исследования специалисты создали алгоритм непрямого определения массы частиц. Они изучали массы тех или иных кварков не непосредственно, а путем вычислений соотношения масс между ними.
Для этого физики прибегли к методу квантовой хромодинамики (КХД) на решетке. При его использовании время принимается за дискретную величину, а пространство внутри адрона делится на ячейки. В них и "помещаются" кварки и глюоны (элементарные частицы, способствующие удержанию кварков вместе).
С помощью суперкомпьютеров ученые моделируют взаимодействия кварков и глюонов. Значения масс кварков подбирается таким образом, чтобы свойства составленных из них адронов соответствовали экспериментальным наблюдениям. Авторы новой работы сконцентрировали свое внимание на определении массы самых легких кварков - верхнего и нижнего.
Чтобы новые результаты были окончательно признаны научным сообществом, их следует отдать на экспертизу независимой группе специалистов. Ряд допущений, которые физики приняли в своей работе, могут исказить ее результат, и их правомерность необходимо дополнительно проверить.
Источник информации "Известия" о новостях науки, техники и образования Выпуск от 5/04/2010

СОЗДАН ПРИБОР ДЛЯ ЗАМЕРОВ ПРОВОДИМОСТИ ЦЕПОЧЕК ОДИНОЧНЫХ АТОМОВ

Специалисты из Национального института стандартов и технологии (США) изобрели прибор, с помощью которого можно растягивать цепочки атомов и регистрировать колебания проводимость при изменении их структуры.
Внешний вид устройства несколько напоминает сканирующий туннельный микроскоп. Иглу "микроскопа" заменяет тончайший конец золотого провода, который касается поверхности, также выполненной из золота, в результате чего атомы металла связываются друг с другом. Затем зонд постепенно поднимается вверх, и со временем толщина цепочки атомов доходит до минимума.
Суть эксперимента состоит в том, что положение зонда необходимо контролировать с высочайшей точностью. В противном случае прочность цепочки и ее проводимость в момент, предшествующий разрыву, измерить не удастся, сообщает "Компьюлента".
В своих опытах американские исследователи показали точность регулировки положения, доходящую до 5 пм. Чтобы достичь этого, рядом с зондом пришлось установить волоконно-оптическую систему. Одновременно с этим ученые проводили измерения тока, протекающего между зондом и поверхностью. При этом фиксировались изменения проводимости при уменьшении толщины цепочки.
Источник информации "Известия" о новостях науки, техники и образования Выпуск от 5/04/2010

КЛЕТКА ДЛЯ СОЗДАТЕЛЯ

Герман ПЕТЕЛИН

Есть ли жизнь на Марсе или нет - науке до сих пор неизвестно. Как неизвестно и то, каким образом вообще могла возникнуть жизнь во Вселенной и на Земле в частности. Но на этот счет существует множество гипотез.
Например, британские ученые недавно объявили, что жизнь появилась из газов, а первую энергию для первой жизни дала химическая реакция гидротермальных источников на дне первых земных океанов.
Но не унимаются и сторонники теории космического происхождения жизни на Земле.
Так, группа ученых под руководством Филиппа Шмитт-Копплина (Philippe Schmitt-Kopplin) из немецкого Института экологической химии (Institute for Ecological Chemistry), обнародовала сенсационные результаты своих исследований, согласно которым так называемый Мерчисонский метеорит, упавший на Землю в 1970 году, содержит миллионы различного рода органических молекул. А поскольку возраст Мерчисона равен 4,65 миллиарда лет, то можно сделать вывод, что предшествовавшая жизни на Земле химическая эволюция началась задолго до появления нашей планеты.
Третья категория ученых не делит теорию происхождения жизни на земную и космическую - их очень интересует ответ на вопрос: а собственно говоря, каков механизм появления жизни во Вселенной?
С одним из апологетов таких исследований побеседовал наш корреспондент. Знакомьтесь - Михаил Крицкий, заведующий лабораторией эволюционной биохимии Института биохимии имени А. Н. Баха РАН, профессор, доктор биологических наук.
- Михаил Сергеевич, давайте начнем с того, о чем многие слышали, - о теории панспермии. Так что же это такое?
- Теория панспермии - это возможности переноса органических соединений, спор микроорганизмов с одного космического тела на другое. Но она совершенно не дает ответа на вопрос, как зародилась жизнь во Вселенной? Возникает необходимость обоснования возникновения жизни в той точке Вселенной, возраст которой, согласно теории Большого взрыва, ограничен 12-14 миллиардами лет. До этого времени не было даже элементарных частиц. А если нет ядер и электронов, нет и химических веществ. Потом в течение нескольких минут возникли протоны, нейтроны, электроны, и материя вступила на путь эволюции.
- Наверняка здесь не обошлось без вмешательства Творца?
- В принципе, идея Бога не противоречит теории зарождения жизни. Если, конечно, под Богом понимать некую организующую систему, а не старца с бородой, как его представляют в настенной росписи храмов. Кстати, с основоположником абиогенеза академиком Александром Ивановичем Опариным однажды произошел курьезный случай, в 1950-х годах. Он читал лекции в Италии по проблеме происхождения жизни. После доклада ему сказали, что с ним хочет поговорить президент Папской академии наук Ватикана. Александр Иванович был убежденным атеистом и материалистом, считал, что его теория абиогенеза не оставляет камня на камне от божественной версии и приготовился к спору. Но вместо этого священник пожал Опарину руку, поблагодарил за лекцию и воскликнул: "Профессор, я восхищен тем, как прекрасно вы вскрыли промысел Божий!".
Впрочем, католики терпимее к науке, и в отличие от наших православных батюшек давно официально признали возможность дарвиновской эволюции.
- Сегодня теория Опарина подвергается серьезным нападкам естествоиспытателей...
- Честно говоря, Опарин разработал не теорию, а концепцию, ключевые моменты которой и составили основу современных представлений о происхождении жизни. Его работа "О происхождении жизни" была напечатана еще в 1924 году, а чуть позже свою теорию, очень похожую на опаринскую, обосновал английский биолог Джон Холден. Но и сегодня на Западе теорию абиогенеза часто называют теорией Опарина-Холдена. Но следует учитывать, что с точки зрения современной науки представления ученых 20-х годов были иногда весьма наивны.
- Например?
- В отличие от других биологов начала XX века, считавших, что самые первые примитивные живые организмы обладали фотосинтетическим аппаратом, Опарин пришел к выводу, что это невозможно, поскольку процесс фотосинтеза очень сложен, и вначале должны были возникнуть хищники, которые поедали какую-то органику. Органика, в свою очередь, должна была возникнуть абиогенно - из неживых соединений. При этом синтез должен был идти в отсутствие кислорода, который мешает возникновению такой органики. А тот уровень кислорода в атмосфере, который есть сейчас, был достигнут много позднее - лишь после возникновения фотосинтеза...

Теория Опарина

В развитии учений о происхождении жизни существенное место занимает теория биогенеза - происхождение живого только от живого. Но многие считают ее несостоятельной, поскольку она принципиально противопоставляет живое неживому и утверждает отвергнутую наукой идею вечности жизни. Абиогенез - идея о происхождении живого из неживого - исходная гипотеза современной теории происхождения жизни. В 1924 г. известный биохимик А. И. Опарин высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4-4,5 млрд лет назад состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. Предсказание академика Опарина оправдалось. В 1955 г. американский исследователь С. Миллер, пропуская электрические заряды через смесь газов и паров, получил простейшие жирные кислоты, мочевину, уксусную и муравьиную кислоты и несколько аминокислот. Таким образом, в середине XX века был экспериментально осуществлен абиогенный синтез белковоподобных и других органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли.
- Михаил Сергеевич, какой-то замкнутый круг получается. Тем не менее в СМИ часто появляются сообщения о все новых и новых гипотезах зарождения жизни. Одни ученые утверждают, что необходимые процессы протекали где-то в космосе, а потом жизнь была занесена на Землю, другие, как Опарин, говорят о первичном бульоне, образовавшемся в ходе постепенной химической эволюции, третьи - о "живородящей" глине…
- В воде, точнее в растворе, мало что могло произойти, потому что процессы в растворе идут абсолютно хаотично, а все соединения очень неустойчивы. Глина современной наукой - точнее, поверхность частиц глинистых минералов - рассматривается как матрица, на которой могли образовываться первичные полимеры. Но это тоже только одна из многих гипотез, каждая из которых имеет свои сильные и слабые стороны. Но чтобы смоделировать зарождение жизни в полном масштабе, нужно действительно быть Богом. Хотя на Западе сегодня уже появляются статьи с названиями "Конструирование клетки" или "Моделирование клетки". Например, один из последних нобелевских лауреатов Джеймс Шостак сейчас активно предпринимает попытки создания эффективных клеточных моделей, которые размножаются сами по себе, воспроизводя себе подобных.

Ошибка Дарвина

Чарльз Дарвин и его современники полагали, что жизнь могла возникнуть в водоеме. Этой точки зрения многие ученые придерживаются и в настоящее время. В замкнутом и сравнительно небольшом водоеме органические вещества, приносимые впадающими в него водами, могли накапливаться в необходимых количествах. Затем эти соединения еще больше концентрировались на внутренних поверхностях слоистых минералов, которые могли быть катализаторами реакций. Современные ученые считают, что отец теории эволюции очень заблуждался.
- Но всегда есть теория, которой серьезные ученые отдают наибольшее предпочтение.
- Сейчас одной из доминирующих гипотез является теория РНК, которые предшествовали сегодняшнему клеточному миру. Чтобы ее понять, давайте для начала рассмотрим, как функционирует современная клетка. Ее основу составляют ДНК, РНК и белки. ДНК и РНК хранят и передают генетическую информацию, а белки ферменты катализируют химические реакции, которые поддерживают всю систему в рабочем состоянии. Структура всех белков-катализаторов записана в гене. Это очень сложная система. Поэтому возникла идея того, что у клетки был прародитель. В конце XX века выяснилось, что молекула РНК сама может служить катализатором, то есть избирательно ускорять химические реакции, например, соединять между собой аминокислоты и самовоспроизводиться. И сейчас ученые склоняются к тому, что живой мир изначально состоял из молекул РНК и представлял собой множество колоний. В этих колониях происходил своеобразный естественный отбор, который привел к тому, что молекулы, связанные между собой родством, превратились в липидную (жировую) оболочку. И такая протоклетка могла получиться совершенно случайно. Но, например, я не могу отнести себя к сторонникам какой-то определенной теории. Моя лаборатория занимается моделированием тех или иных этапов эволюции органического вещества. Мы исследуем, как могло происходить изменение и усложнение органических молекул в примитивных, добиологических условиях.
- Каковы результаты ваших исследований?
- Наши модели, конечно же, еще не живые, но они показывают, что до появления клетки, могли сформироваться довольно сложные системы. Это искусственные модели, рукотворные, но их образование легко могло происходить на Земле до появления жизни. Одна из наших моделей, например, вообще не требует никакой органики. Все процессы проходят как раз на глине. Но эта система может использовать только ультрафиолетовый свет, в отличие от другой, которая способна работать и при видимом свете. По природе такая модель состоит из абиогенных полимеров аминокислот, а ведь аминокислоты (это сегодня известно) могут быть образованы без участия живых организмов из простых соединений вроде аммиака, метана...
- Однако, эти системы, как вы сказали, искусственные, и их нет в естественной природе?
- Да, хлорофилл оказался эффективнее, он, например, лучше поглощает фотоны, чем те пигменты, которые работают в нашей модели. Но здесь важно вот что. Аденозинтрифосорная кислота (АТФ) - это одно из самых важных, самых необходимых веществ любой клетки. Это вещество постоянно работает, участвуя в обмене веществ, и очень быстро обновляется. У человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее минуты. Человеческий организм синтезирует около 40 кг АТФ в день. Причем никакого запаса не создается, а без АТФ жизнедеятельность невозможна. То есть это универсальный источник энергии для всех биохимических процессов. И вот это соединение в значительных количествах могло образовываться в условиях, когда еще и в помине не было ни клеток, ни настоящих ферментов!
- Получается, что ученые, выдвигая свои гипотезы о происхождении жизни, спорят скорее об отдельных механизмах длинной цепочки преобразования неживой материи в живую? Может быть, когда-то удастся из этих "механизмов" собрать "единый конвейер"?
- Академик Опарин говорил, что даже если ученые смогут воспроизвести искусственную модель зарождения жизни, то это отнюдь не будет означать, что жизнь произошла именно таким образом, а не каким-то иным. Существует множество вопросов, которые поначалу кажутся ясными и абсолютно доказанными, но вскоре все они подвергаются сомнениям. Это как Евклидова геометрия - считалось, что сумма всех углов треугольника равна 180 градусам. А потом появился Лобачевский и доказал, что это не обязательно так, а все зависит от пространства. Так что наука - это такая вещь, где все подвергается сомнению, в отличие от религии, где все принимается на веру.

Этапы большого пути

Катархей - геологическая эра Земли, длившаяся от ее образования до зарождения жизни. В те далекие времена, когда безжизненная Земля была окутана ядовитой для живых существ атмосферой, лишенной кислорода, сверкали молнии, извергались вулканы и жесткое ультрафиолетовое излучение пронизывало атмосферу и верхние слои воды, из окутавшей Землю смеси паров сероводорода, аммиака, угарного газа начинают синтезироваться первые органические соединения, возникают свойства, характерные для жизни. Такую картину эры катархея, длившуюся от 5 до 3,5 млрд лет до н.э., представляют некоторые гипотезы. Но, например, Вернадский считал, что биосфера геологически вечна, т.е. жизнь на Земле существует столько же времени, сколько и сама Земля как планета.
Следующий этап назван Архей, 3,5-2,6 млрд лет назад. К о времени архея относится возникновение первых прокариот (бактерий) - которые не обладали оформленным клеточным ядром и хромосомным аппаратом. В отложениях архея найдены также остатки нитчатых водорослей. В этот период образуется почва, в атмосфере снижается содержание метана, аммиака, водорода и начинается накопление углекислого газа и кислорода.
Протерозой, 2,6 млрд - 570 млн лет назад. Возникновение многоклеточных. Конец протерозоя называют веком медуз.
Палеозой, 570-230 млн лет. Характерно интенсивное развитие наземных растений и выход на сушу животных.
Мезозой, 230-67 млн лет. Эра пресмыкающихся - их расцвет и вымирание.
Кайнозой, 67 млн лет - наше время. Расцвет цветковых растений, насекомых, птиц и млекопитающих.
Источник: "Российский космос"

Новости сайта "Алхимик" >>>