Статьи

Ударная пятилетка: самые прорывные исследования и разработки российских ученых

Ударная пятилетка: самые прорывные исследования и разработки российских ученых
Даниил Кузнецов

Регулярно в России хвалятся достижениями студентов и школьников — то золото на химической олимпиаде возьмут, то серебро на первенстве по подводным роботам, то сразу 7 медалей на онлайн-олимпиаде по информатике. При этом успехи именно в научной сфере освещаются реже и меньше. В 2010 году правительство объявило первый конкурс научных мегагрантов. 40 крупнейших ученых получили по 150 миллионов рублей на два года для открытия передовых лабораторий в России. В июне 2019-го стартовал седьмой подобный конкурс. Правда, гранты стали меньше — пообещали уже по 90 миллионов рублей. Но это лишь капля в море. Огромные средства распределяет Российский научный фонд (РНФ) и Российский фонд фундаментальных исследований (РФФИ). Но есть ли результаты? Даниил Кузнецов — о том, чего удалось добиться нашим ученым за последние пять лет. 

Физическое зазеркалье

Бесспорно, достижение номер один — открытие гравитационных волн — "ряби" окружающего нас пространства-времени. Да, Нобелевскую премию за это получили Райнер Вайсс, Барри Бэриш и Кип Торн, помогавший, кстати, со сценарием знаменитого "Интерстеллара". Но и российские ученые не остались в стороне. Важно понимать, что любые крупные научные проекты сейчас — это коллаборации множества университетов и научных коллективов. Без такой взаимопомощи, где каждый делает свой маленький участок работы, никакие грандиозные достижения уже невозможны.

Интерферометр LIGO и его зеркала 1/2
Интерферометр LIGO и его зеркала 2/2

Чтобы "поймать" гравитационную волну, требовался очень сложный детектор LIGO (Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory) — циклопический по своим размерам и крайне хитро устроенный. В нем два тоннеля по четыре километра, выкопанных из центральной точки. В каждом из них создан искусственный вакуум (удален весь воздух), а на концах подвешены на тонких стеклянных нитях огромные полупрозрачные зеркала. В центральной точке стоит светоделитель. На него с определенной периодичностью подается лазерный импульс. Светоделитель расщепляет его и отправляет одновременно два луча-копии по обоим тоннелям. Они попадают в зеркала, отражаются и возвращаются обратно к светоделителю, где вновь объединяются и гасят друг друга. Если по какой-то причине этого не происходит, то лучи попадают в фотодетектор, вызывая в нем электрический разряд.

Хитрость в том, что когда сквозь тоннели проходит гравитационная волна, то она на мельчайшую долю миллиметра изменяет расстояния между зеркалами и длину пути, который необходимо пройти свету. В этом случае лучи уже не могут взаимно погасить друг друга, и свет неизбежно "проскакивает" в фотодетектор. Вуаля — гравиволна "изловлена".

Регистрация гравитационной волны

На словах все просто, однако сделать это не удавалось ровно 100 лет. Пока группа физика из МГУ Владимира Брагинского (к сожалению, умершего в 2016 году) не помогла создать и так тонко настроить аппаратуру оптической системы детектора, что практически полностью исключило любые механические, термодинамические и иные шумы, позволив экспериментально доказать теоретическое предсказание Альберта Эйнштейна, сделанное аж в 1916 году. Над оптическими изоляторами для зеркал детектора потрудился даже сам президент РАН Александр Сергеев вместе со своими нижегородскими коллегами.

Владимир Брагинский

Эхо космических взрывов

Но открытие гравиволн стало лишь началом. 17 августа 2017 года в 15:41 по Москве были одновременно зафиксированы гравитационный и электромагнитный сигнал. LIGO поймала гравитационные волны, а обсерватории "Интеграл" и "Ферми" — гамма-излучение. Так астрофизикам впервые удалось зарегистрировать столкновение нейтронных звезд с массами около одной-двух масс Солнца на расстоянии 40 мегапарсек от Земли. Подобные явления называют килоновыми (по аналогии со сверхновыми). Спустя месяц авторитетный журнал Science назвал это "научным прорывом 2017 года" и "настоящей симфонией для физиков и астрономов".

Российские ученые, работающие с "Интегралом", на пресс-конференции: Александр Лутовинов, Владислав Пустовойт, Сергей Вятчанин, Валерий Митрофанов, Алина Вольнова

Этот факт подтвердил теорию о том, что подобные столкновения могут быть… источником золота и других тяжелых элементов во Вселенной. На нашей планете и в Солнечной системе сравнительно много золота, платины, иридия и урана. Однако звезды типа Солнца почти не производят ничего тяжелее углерода. Так откуда же золотишко? Раньше была теория, что тяжелые элементы образуются в результате вспышек сверхновых. Однако потом выяснилось, что темп их генерации там слишком мал. А вот нейтронные звезды — лучший кандидат для этого. Их диаметр обычно меньше среднего российского города, зато масса больше, чем у Солнца. Поэтому там чудовищная плотность вещества и гравитационное поле в 7 миллиардов раз сильнее, чем на нашем светиле. А это именно то, что надо для образования золота, урана и многих других "лучших друзей девушек и атомных энергетиков".

Ну а русские тут причем? Про аппаратуру LIGO мы уже сказали, а вот "Интеграл", который одним из первых зафиксировал гамма-излучение от слияния нейтронных звезд, — это проект Европейского космического агентства с участием "Роскосмоса" и NASA, в котором российские ученые получают 25% данных. Их анализ выполняется в Институте космических исследований РАН.

Исследованная обсерваторией "Ферми" карта гамма-пузырей наблюдаемой Вселенной

"Кислота Гитлера" и невозможная химия

Вряд ли можно назвать другого более успешного мегагрантника, чем вернувшегося в Россию из длительной эмиграции химика, материаловеда и христианина Артема Оганова. Он и его аспиранты из Сколтеха и МФТИ публикуют столько статей с удивительными открытиями, что выбрать что-то одно трудно. Главный USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) группы — универсальный и мощный алгоритм прогнозирования структуры химических соединений. С его помощью российские ученые предсказывают новые материалы с суперсвойствами: сверхтвердые, магнитные, термоэлектрики, сверхпроводники и т.д. Если удается математически предсказать структуру какого-либо соединения, то можно узнать и большинство его свойств еще до того, как он будет фактически синтезирован.

Одно из самых интересных открытий — "кислота Гитлера". Как известно, все соединения углерода, водорода и кислорода нестабильны при обычном атмосферном давлении. Исключения составляют лишь метан, вода и углекислый газ. Но что будет, если давление постоянно повышать? Как выяснилось, ряд углеводородов способен сохранять стабильность в таких условиях. Например, угольная кислота (H2CO3). Если же давление поднять до совершенно чудовищных отметок в 314 гигапаскалей, становится возможной экзотермическая реакция между угольной кислотой и водой с образованием ортоугольной кислоты (H4CO4). Это соединение пока вообще не удавалось получить в лабораториях из-за его крайней нестабильности. Структура молекулы ортоугольной кислоты напоминает свастику, потому химики в шутку называют ее "кислотой Гитлера".

Спутники Урана Ариэль, Оберон, Титания, предположительно, содержат в себе много "угольной кислоты" 1/3
Спутники Урана Ариэль, Оберон, Титания, предположительно, содержат в себе много "угольной кислоты" 2/3
Спутники Урана Ариэль, Оберон, Титания, предположительно, содержат в себе много "угольной кислоты" 3/3

Какой с этого толк? Все очень просто: подобное давление существует в недрах газовых гигантов типа Нептуна и Урана, а значит они могут содержать в себе прослойку из этой экзотической кислоты. Таким образом, даже без космических полетов и исследовательских миссий, мы можем "на кончике пера" узнать структуру и химический состав далеких планет.

Помимо прочего, группа Оганова с помощью USPEXа предсказала, что множество других веществ, запрещенных классической химией, могут быть стабильными при высоких давлениях. Это, например, несколько ранее не известных вариантов обычной поваренной соли — Na3Cl, NaCl3, NaCl7 и даже Na3Cl2 и Na4Cl3.

Скомканный графен

В 2010 году выходцы из России Андрей Гейм и Константин Новоселов стали лауреатами Нобелевской премии по физике за исследование графена. Оба окончили МФТИ, работали в Институте физики твердого тела РАН в Черноголовке, а в 1990-е уехали продолжать исследования за границу. В 2004 году они предложили классический теперь способ получения двумерного графена, просто отодрав его скотчем от куска графита.

Нобелевские лауреаты Андрей Гейм и Константин Новоселов в Манчестере

У графена масса уникальных свойств. Это самое тонкое вещество в мире. Он может быть прекрасным проводником, так как состоит из цепочек шестиугольников углерода, по которым очень легко передается электрический ток. Одновременно он может быть и эффективным изолятором. Наконец, графен обладает аномальной эластичностью и при растягивании меняет свое электрическое сопротивление. Последнее из свойств графена в 2018 году объяснили ученые из Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау.

Оказалось, что графен - ауксетик. И это вовсе не ругательство. Большинство привычных нам материалов при растяжении в одном направлении удлиняются, а в другом — сокращаются. Резина, металл, ткань — все следует этому правилу. А ауксетики, наоборот, при растяжении в продольном направлении становятся шире в поперечном. Вот такой парадокс.

Схематичное изображение поведения обычного материала и ауксетика

Чтобы понять, как это возможно, следует представить себе, как на самом деле устроен графен. В реальности это не идеальный плоский двумерный лист, по его поверхности бегут так называемые изгибные волны. Они стремятся скомкать графен, но им противостоят обычные волны сжатия-растяжения. Взаимодействие двух типов волн в итоге не позволяет графеновой пластине сжаться в трехмерный "комок". Поэтому истинная размерность графена находится в промежуточном состоянии между двумя и тремя. Это своего рода "двухсполовиномерный" материал. В "складках" вроде бы плоского углерода запасается дополнительная механическая энергия, которая и приводит к появлению у графена аномальной эластичности и других необычных свойств.

А вот свойства ауксетика зависят от изменения взаимодействия между изгибными волнами и обычными волнами сжатия-растяжения при растягивании графена внешней силой. Чем она больше, тем изгибные волны меньше влияют на параметры материала — доминируют волны растяжения, а при малой растягивающей силе опять сильно влияние изгибных волн. Поэтому графен может растягиваться нормально или как ауксетик — в зависимости от приложенной силы.

Как это может быть использовано? В производстве сверхчувствительных микросенсоров и мембран для микрофонов.

Доисторический бастард

Раскопки в знаменитой Денисовой пещере на Алтае | Фото: B VIOLA, MPI-EVA 1/2
Раскопки в знаменитой Денисовой пещере на Алтае | Фото: B VIOLA, MPI-EVA 2/2

В том же 2018 году исследователи из Института археологии и этнографии СО РАН и Новосибирского государственного университета обнаружили потомка двух разных видов древних людей — неандертальцев (Homo neanderthalensis) и денисовцев (Homo sapiens denisova). Им оказалась 13-летняя девочка, жившая на Алтае более 50 000 лет назад.

Ученые извлекли ДНК из фаланги пальца. Полученную последовательность генов сравнили с геномами из других костей алтайских неандертальцев и денисовцев. Выяснилось, что геном доисторического подростка на 42,4% совпал с геномом денисовца, а еще на 38,6% — с геномом неандертальца.

К слову, каждый из россиян имеет от 1 до 4% генов неандертальцев — это результат древних скрещиваний предков человека современного типа и ныне вымершего конкурирующего вида людей. Во всем мире их нет только у африканских негров, так как они никогда не контактировали с неандертальцами напрямую. А вот наши прапрапрапрабабушки успели согрешить. И не только они. У жителей Юго-Восточной Азии и Океании есть следы скрещивания даже с денисовцами! Генетический след давно исчезнувшего вида обнаружен у папуасов, меланезийцев и китайцев (хань).

Похвала тщательности

Вирус папилломы человека

Наука на 95% — это тяжелый труд, требующий необыкновенной тщательности и большой выдержки. Это доказала команда ученых из Санкт-Петербурга. Им удалось подтвердить, что папилломавирус человека чаще поражает анус жителей культурной столицы, нежели их гениталии.

Чтобы прийти к такому выводу, им пришлось обследовать 609 пациентов мужского пола. Соскоб брали из заднего прохода и мочеиспускательного канала. Чтобы снизить риск заражения мужчин, все процедуры выполнял один и тот же медицинский работник, имеющий большой опыт применения сбора таких образцов. Он вставлял специальную одноразовую щетку на глубину в два сантиметра в каждое отверстие и проворачивал на 360 градусов. И так от 609 до 1218 раз. Точные цифры в итоговой статье не приведены.

Впрочем, в городе на Неве на этом не успокоились. Сотрудник Санкт-Петербургского государственного университета Дмитрий Мелешко изучил состав микробиоты в каловых массах 10 000 американцев. После чего сопоставил его видовой состав с образом жизни доноров фекалий, его изменениями в течение времени, а также установил зависимость разнообразия микроорганизмов в кишечнике с перенесенными хирургическими операциями, употребляемой пищей и многими другими факторами. Благодаря его усилиям теперь в США есть целая база данных American Gut ("Американские потроха").

Побочным, но важным результатом работы Мелешко стало определение влияния температурного режима на микробный состав кала. Для этого одни добровольцы передавали охлажденные образцы стула, а другие свои фекалии все время перевозки держали при комнатной температуре. Ну а практический вывод из его исследования простой: чем больше овощей, ягод, фруктов и зелени употреблял американец за неделю, тем выше вероятность, что видовой состав бактерий в его кишечнике близок к норме.

На самом деле при всей кажущейся несерьезности тема крайне популярная. База на 10 000 образцов кала с микробиотой, увязанная с образом жизни, — чуть ли не самая крупная сейчас. Большие данные нужны для доказательной медицины. 

Подписывайтесь на нас в Instagram:
https://www.instagram.com/ruposters_ru/

Поделиться / Share