По завету Нобеля
В МИРЕ / ОКТЯБРЬ #7_2023
Текст: Максим ГРЕВЦЕВ / Фото: Nobelprize.qbank.se, Unesco.org
«Может быть, величайшим триумфом человеческого гения является то, что человек может понять вещи, которые он уже не в силах вообразить» — кажется, что лучше Нобелевского лауреата Льва Ландау о нобелевских лауреатах и не скажешь. Однако ученые, получившие премию в 2023 году, не просто поняли — они сделали то, что даже представить сложно.
«Все мои оставшиеся реализуемые активы должны быть распределены следующим образом: капитал, конвертированный в безопасные ценные бумаги моими исполнителями, должен составить фонд, проценты по которому будут ежегодно распределяться в качестве призов тем, кто в течение предыдущего года принес человечеству величайшую пользу» — это фрагмент завещания, оставленного Альфредом Нобелем. Премия по физиологии и медицине «за открытия в области модификации нуклеозидных оснований, позволившие создать эффективные мРНК-вакцины против COVID‑19» полностью соответствует этой формулировке: и польза для всего человечества, и пандемию признали завершившейся лишь в текущем году. Правда, лауреаты — Каталин Карико и Дрю Вайсман — главные открытия совершили два десятилетия назад, но именно пандемия COVID‑19 проявила все достоинства технологии, в которую почти никто не верил.
Различают три основных подхода к созданию вакцин в зависимости от того, что используют для иммунизации:
ДНК и РНК
В клетках содержатся молекулы нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. ДНК хранит всю генетическую информацию, необходимую для функционирования организма и его размножения. По сути, это каталог генов с информацией о том, какие белки, в каком количестве и при каких обстоятельствах нам нужны. Но ДНК не производит белки. Их производят рибосомы и РНК, точнее, один из трех ее видов — информационная (матричная) РНК, или мРНК, которая, как флешка, копирует информацию с ДНК о нужных белках и служит матрицей для их создания.
Как и ДНК, РНК состоит всего из четырех типов нуклеотидов. Комплекс из трех нуклеотидов (кодон) соответствует одной аминокислоте. Рибосома с молекулами аминокислот соединяется с мРНК и по принципу комплементарности синтезирует белки.
Как и ДНК, РНК состоит всего из четырех типов нуклеотидов. Комплекс из трех нуклеотидов (кодон) соответствует одной аминокислоте. Рибосома с молекулами аминокислот соединяется с мРНК и по принципу комплементарности синтезирует белки.
В течение долгого времени вакцины создавались на основе ослабленных либо убитых вирусов или бактерий — источника болезни. Вакцина показывает иммунной системе человека генетический материал патогенов, чтобы она запомнила врага и научилась быстро на него реагировать. Проблема возникает на этапе производства: выращивать целые организмы сложно, дорого и долго. Тогда специалистам пришло в голову: а что, если вакцина будет нести не весь набор генов патогена, а лишь критически важную его часть — отдельные белки, по которым легко узнать враждебный организм? Идея оказалась плодотворной. Но возник вопрос: как доставить эти специфические белки в зону досягаемости иммунной системы?
Первый способ — встроить нужные белки в обезвреженный вирус, проникающий внутрь клетки. Это векторные вакцины, к ним принадлежит, например, «Спутник V». Но проблема в том, что иммунитет получает информацию о двух врагах: и о патогене, против которого направлена вакцина, и о вирусе, который стал его упаковкой. А значит, при повторной вакцинации иммунная система может отреагировать на упаковку, белок патогена не доберется до цели и иммунного ответа не будет.
Второй способ — доставить не сам белок, а инструкцию по его синтезу, чтобы белок создала сама человеческая клетка. Такой инструкцией служит мРНК. За создание такой вакцины и вручили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2023 году.
Первое важное открытие на этом пути было сделано в 1984 году: группа ученых в Гарварде нашла способ получения мРНК в лабораторных условиях. Но ни Пол Криг, руководитель группы, ни университет не увидели в изобретении потенциала и за символическую плату передали права на него компании Promega (в знак благодарности ученые получили ящик шампанского «Вдова Клико»).
В 1987 году Роберт Мэлоун в Институте биологических исследований Солка (Калифорния) поместил мРНК в капельки жира; в таком виде человеческие клетки легко поглотили генетический материал и стали производить запрограммированные в нем белки. 11 января 1988 года Р. Мэлоун сделал в лабораторном журнале запись о том, что если заставить клетки производить белки по мРНК, то к такой мРНК можно относиться как к лекарству. Однако Р. Мэлоун оказался весьма непростым человеком: сначала он поссорился со своим научным руководителем и, бросив учебу, ушел в бизнес, потом поссорился с партнерами и покинул стартап. В итоге он все же защитил диссертацию, но занялся уже вакцинами на основе ДНК. В других лабораториях исследования продолжались, но все ученые сталкивались с двумя проблемами: во‑первых, РНК очень быстро разрушается, а во‑вторых, инъекции часто вызывали воспалительные процессы. Побочный эффект был настолько выраженным, что получать гранты на дальнейшие исследования в этой области было неимоверно сложно.
Лишь два направления вызывали неизменный интерес у грантодателей, — ВИЧ и онкология. Группы, работавшие над вакциной от ВИЧ, до сих пор ничего не добились. А вот у онкологов кое-что получилось, в частности, группа под руководством Эли Гильбоа взяла иммунные клетки из крови и ввела в них синтетическую мРНК, кодирующую опухолевые белки; затем клетки вводились обратно в организм мышей, и наблюдался иммунный ответ на опухоль. Этот успех вдохновлял частные компании на продолжение исследований. Именно там, в частном секторе, начали работать будущие нобелевские лауреаты Каталин Карико и Дрю Вайсман.
Они познакомились в Пенсильванском университете в 1997 году. Оказалось, что у Каталин дела идут плохо: двумя годами ранее университет поставил ее перед выбором — либо она увольняется, либо идет на понижение в должности и зарплате. Каталин решила остаться, на энтузиазме продолжая работу с мРНК. А вот Дрю был на коне, он был одним из исследователей ВИЧ, и идеи Каталин об мРНК-вакцине ему понравились. Университет не мешал их совместной работе, но и не помогал. В итоге для привлечения грантов коллеги создали компанию и в 2007 году получили-таки грант для малого бизнеса от правительства США в размере $ 97 396.
К этому моменту они уже совершили свое главное открытие. Ученые обнаружили, что иммунная система не реагирует на транспортную РНК, поскольку вместо уридина в состав последней входит его изомер — псевдоуридин. Они заменили уридин псевдоуридином в мРНК, и всё получилось: синтетическая молекула не вызывала воспалительных реакций. Теперь ничто не мешало серьезно подумать о мРНК как о лекарстве, как и хотел Р. Мэлоун. Кстати, скандальный пионер технологии в итоге оказался ее главным критиком: после выхода на рынок вакцин от COVID‑19 он активно давал интервью, в которых называл себя создателем спасительной технологии и предупреждал об опасности других препаратов для жизни и здоровья пациентов, а Энтони Фауча, возглавившего борьбу с коронавирусом в США, обвинял во лжи и заговоре с фармкомпаниями.
Первый способ — встроить нужные белки в обезвреженный вирус, проникающий внутрь клетки. Это векторные вакцины, к ним принадлежит, например, «Спутник V». Но проблема в том, что иммунитет получает информацию о двух врагах: и о патогене, против которого направлена вакцина, и о вирусе, который стал его упаковкой. А значит, при повторной вакцинации иммунная система может отреагировать на упаковку, белок патогена не доберется до цели и иммунного ответа не будет.
Второй способ — доставить не сам белок, а инструкцию по его синтезу, чтобы белок создала сама человеческая клетка. Такой инструкцией служит мРНК. За создание такой вакцины и вручили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2023 году.
Первое важное открытие на этом пути было сделано в 1984 году: группа ученых в Гарварде нашла способ получения мРНК в лабораторных условиях. Но ни Пол Криг, руководитель группы, ни университет не увидели в изобретении потенциала и за символическую плату передали права на него компании Promega (в знак благодарности ученые получили ящик шампанского «Вдова Клико»).
В 1987 году Роберт Мэлоун в Институте биологических исследований Солка (Калифорния) поместил мРНК в капельки жира; в таком виде человеческие клетки легко поглотили генетический материал и стали производить запрограммированные в нем белки. 11 января 1988 года Р. Мэлоун сделал в лабораторном журнале запись о том, что если заставить клетки производить белки по мРНК, то к такой мРНК можно относиться как к лекарству. Однако Р. Мэлоун оказался весьма непростым человеком: сначала он поссорился со своим научным руководителем и, бросив учебу, ушел в бизнес, потом поссорился с партнерами и покинул стартап. В итоге он все же защитил диссертацию, но занялся уже вакцинами на основе ДНК. В других лабораториях исследования продолжались, но все ученые сталкивались с двумя проблемами: во‑первых, РНК очень быстро разрушается, а во‑вторых, инъекции часто вызывали воспалительные процессы. Побочный эффект был настолько выраженным, что получать гранты на дальнейшие исследования в этой области было неимоверно сложно.
Лишь два направления вызывали неизменный интерес у грантодателей, — ВИЧ и онкология. Группы, работавшие над вакциной от ВИЧ, до сих пор ничего не добились. А вот у онкологов кое-что получилось, в частности, группа под руководством Эли Гильбоа взяла иммунные клетки из крови и ввела в них синтетическую мРНК, кодирующую опухолевые белки; затем клетки вводились обратно в организм мышей, и наблюдался иммунный ответ на опухоль. Этот успех вдохновлял частные компании на продолжение исследований. Именно там, в частном секторе, начали работать будущие нобелевские лауреаты Каталин Карико и Дрю Вайсман.
Они познакомились в Пенсильванском университете в 1997 году. Оказалось, что у Каталин дела идут плохо: двумя годами ранее университет поставил ее перед выбором — либо она увольняется, либо идет на понижение в должности и зарплате. Каталин решила остаться, на энтузиазме продолжая работу с мРНК. А вот Дрю был на коне, он был одним из исследователей ВИЧ, и идеи Каталин об мРНК-вакцине ему понравились. Университет не мешал их совместной работе, но и не помогал. В итоге для привлечения грантов коллеги создали компанию и в 2007 году получили-таки грант для малого бизнеса от правительства США в размере $ 97 396.
К этому моменту они уже совершили свое главное открытие. Ученые обнаружили, что иммунная система не реагирует на транспортную РНК, поскольку вместо уридина в состав последней входит его изомер — псевдоуридин. Они заменили уридин псевдоуридином в мРНК, и всё получилось: синтетическая молекула не вызывала воспалительных реакций. Теперь ничто не мешало серьезно подумать о мРНК как о лекарстве, как и хотел Р. Мэлоун. Кстати, скандальный пионер технологии в итоге оказался ее главным критиком: после выхода на рынок вакцин от COVID‑19 он активно давал интервью, в которых называл себя создателем спасительной технологии и предупреждал об опасности других препаратов для жизни и здоровья пациентов, а Энтони Фауча, возглавившего борьбу с коронавирусом в США, обвинял во лжи и заговоре с фармкомпаниями.
мРНК
Это длинная последовательность, состоящая всего из четырех типов нуклеотидов (сокращенно A, U, G и C). Нобелевские лауреаты обнаружили, что если в мРНК заменить U на модифицированную версию, то иммунитет человека не отреагирует на инъекцию, т. е. у вакцины исчезнет главный побочный эффект — воспалительная реакция.
Университет не оценил открытие и продал эксклюзивные права на изобретение небольшой компании за $ 300 тыс. (сегодня эта компания называется CELL SCRIPT и ежегодно получает десятки миллионов долларов от Moderna, BioNTech и других фармгигантов, работающих с модифицированной мРНК).
Нобелевский комитет отметил вакцины от COVID‑19, однако этим потенциал мРНК-препаратов не исчерпывается. Например, BioNTech работает над вакцинами против сезонного гриппа, туберкулеза, малярии, опоясывающего лишая и 15 видов рака; согласно заявлениям компании, все эти препараты находятся на этапе клинических испытаний, ведется работа над вакциной против ВИЧ. Moderna тоже разрабатывает вакцины против гриппа, вируса Зика, болезни Лайма и вируса Нипах, цитомегаловируса (частой причины врожденных патологий у детей), муковисцидоза, инфекционного мононуклеоза, ВИЧ и, конечно, рака. Так что есть надежда, что количество спасенных мРНК-вакцинами жизней будет увеличиваться.
На сайте Нобелевского комитета можно услышать телефонное интервью с Каталин Карико. Ученая призналась, что она всю жизнь была «мамой Сьюзен»: ее дочь — двукратная победительница Олимпийских игр и пятикратная чемпионка мира по гребле. Теперь Сьюзен станет «дочерью Каталин». Счастливый итог истории, в которой было слишком много НЕ: недоверия, недооценки, несправедливости.
Нобелевский комитет отметил вакцины от COVID‑19, однако этим потенциал мРНК-препаратов не исчерпывается. Например, BioNTech работает над вакцинами против сезонного гриппа, туберкулеза, малярии, опоясывающего лишая и 15 видов рака; согласно заявлениям компании, все эти препараты находятся на этапе клинических испытаний, ведется работа над вакциной против ВИЧ. Moderna тоже разрабатывает вакцины против гриппа, вируса Зика, болезни Лайма и вируса Нипах, цитомегаловируса (частой причины врожденных патологий у детей), муковисцидоза, инфекционного мононуклеоза, ВИЧ и, конечно, рака. Так что есть надежда, что количество спасенных мРНК-вакцинами жизней будет увеличиваться.
На сайте Нобелевского комитета можно услышать телефонное интервью с Каталин Карико. Ученая призналась, что она всю жизнь была «мамой Сьюзен»: ее дочь — двукратная победительница Олимпийских игр и пятикратная чемпионка мира по гребле. Теперь Сьюзен станет «дочерью Каталин». Счастливый итог истории, в которой было слишком много НЕ: недоверия, недооценки, несправедливости.
Каталин Карико — американский биохимик венгерского происхождения, специализирующаяся на РНК-опосредованных механизмах. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 2023 года вместе с Дрю Вайсманом
Наносекрет: от витражей до телевизоров
Квантовые эффекты и диффузизионная теория Лифшица-Слезова: если бы средневековые стеклодувы узнали, каким сложным образом наука объясняет их секрет, они бы удивились. Кажется, что всё просто: если в расплавленное стекло добавить один и тот же пигмент, но нагревать массу до разных температур или в течение разного времени, то цвет стекла получится разным. Таким способом мастера витражей добивались максимального разнообразия оттенков. Как отмечает Нобелевский комитет в своем релизе, на эту странность наука не обращала внимания до 1979 года, когда молодой ленинградский ученый Алексей Екимов начал изучать такие стекла. В прозрачное силикатное стекло он добавлял различные соли металлов (хлорид и бромид меди, сульфид и селенид кадмия) и нагревал в диапазоне температур 500−700 °C в течение 1−96 часов. Получившиеся стекла он изучал в камерах с глубоким охлаждением с помощью рентгеноскопии. Самые интересные результаты показал хлорид меди: внутри стекла образовывались крохотные кристаллы размером 2−30 нанометров. Именно размер частиц определял, какую длину волны поглощает стекло, а значит — какого оно цвета: чем меньше частица, тем цвет ближе к синему спектру. Размер кристаллов определялся температурой и продолжительностью нагревания, а не химическим составом соли.
В коротком телефонном интервью Нобелевскому комитету А. Екимов сказал, что сначала это казалось ему удивительным, несмотря на то что квантовые эффекты были описаны физиками-теоретиками и даже входили в советский базовый пятитомный учебник по физике для студентов (вероятно, имеется в виду «Общий курс физики» Дмитрия Сивухина). На соотнесение теории и практики ушел примерно год, научная статья была опубликована в 1981 году, но в течение трех лет была доступна только в СССР — в США о ней узнали лишь в 1984‑м. К тому времени аналогичные наблюдения — размер наночастиц влияет на цвет — сделал Луис Брюс. Он работал с растворами сульфида кадмия, частицы которого поглощают солнечный свет, а затем излучают энергию на другой волне. Он также обнаружил: с уменьшением размера частиц цвет смещался в синий спектр. Так и в твердом веществе, и в коллоидных растворах были созданы наночастицы, проявляющие квантовые эффекты.
Квантовые эффекты и диффузизионная теория Лифшица-Слезова: если бы средневековые стеклодувы узнали, каким сложным образом наука объясняет их секрет, они бы удивились. Кажется, что всё просто: если в расплавленное стекло добавить один и тот же пигмент, но нагревать массу до разных температур или в течение разного времени, то цвет стекла получится разным. Таким способом мастера витражей добивались максимального разнообразия оттенков. Как отмечает Нобелевский комитет в своем релизе, на эту странность наука не обращала внимания до 1979 года, когда молодой ленинградский ученый Алексей Екимов начал изучать такие стекла. В прозрачное силикатное стекло он добавлял различные соли металлов (хлорид и бромид меди, сульфид и селенид кадмия) и нагревал в диапазоне температур 500−700 °C в течение 1−96 часов. Получившиеся стекла он изучал в камерах с глубоким охлаждением с помощью рентгеноскопии. Самые интересные результаты показал хлорид меди: внутри стекла образовывались крохотные кристаллы размером 2−30 нанометров. Именно размер частиц определял, какую длину волны поглощает стекло, а значит — какого оно цвета: чем меньше частица, тем цвет ближе к синему спектру. Размер кристаллов определялся температурой и продолжительностью нагревания, а не химическим составом соли.
В коротком телефонном интервью Нобелевскому комитету А. Екимов сказал, что сначала это казалось ему удивительным, несмотря на то что квантовые эффекты были описаны физиками-теоретиками и даже входили в советский базовый пятитомный учебник по физике для студентов (вероятно, имеется в виду «Общий курс физики» Дмитрия Сивухина). На соотнесение теории и практики ушел примерно год, научная статья была опубликована в 1981 году, но в течение трех лет была доступна только в СССР — в США о ней узнали лишь в 1984‑м. К тому времени аналогичные наблюдения — размер наночастиц влияет на цвет — сделал Луис Брюс. Он работал с растворами сульфида кадмия, частицы которого поглощают солнечный свет, а затем излучают энергию на другой волне. Он также обнаружил: с уменьшением размера частиц цвет смещался в синий спектр. Так и в твердом веществе, и в коллоидных растворах были созданы наночастицы, проявляющие квантовые эффекты.
Квантовая точка — это кристалл, который часто состоит всего из нескольких тысяч атомов. Он во столько же раз меньше футбольного мяча, во сколько футбольный мяч меньше Земли.
Источник: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Источник: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Проявление квантовых эффектов связано с размерами нанокристаллов. Нобелевский комитет нашел удачную аналогию: квантовая точка во столько раз меньше футбольного мяча, во сколько мяч меньше планеты Земля. В обычном состоянии материи электроны, находящиеся на внешних энергетических уровнях атомов, легко перемещаются между атомами. Им доступен широкий диапазон энергий. Но в наночастицах электроны находятся не в свободном состоянии — их движение ограничено пространством внутри квантовой точки. В этом и заключается причина квантовых эффектов: меняются тепло- и электропроводимость, оптические и магнитные свойства, температура плавления и т. д.
«Характерный размер свободного электрона обычно определяется формулой для длины волны де Бройля. В кристалле полупроводника мы говорим о другом объекте — электроне, взаимодействующем с кристаллической решеткой. Длина волны де Бройля для такого объекта, как правило, существенно больше, чем для свободного электрона. Более того, этот параметр зависит от размера и формы объекта (например, квантовой точки), в котором мы этот „эффективный“ электрон рассматриваем. В этом смысле иногда и говорят о „сжатии“ электрона. Описывая механизм появления квантовых эффектов, правильнее говорить о квантовании энергетического спектра электронных состояний, ограниченных в малом объеме квантовой точки», — объясняет Алексей Торопов, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией квантовой фотоники Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН.
К сожалению, извлечь квантовые точки из стекла невозможно, поэтому в промышленных целях можно использовать только пленки и коллоиды. Технологию их получения на основе горячей инжекции в 1993 году создал третий нобелевский лауреат Мунги Бавенди. Он смог подобрать оптимальный состав и температуру растворителя, а также придумал, как ввести в растворитель раствор полупроводников таким образом, чтобы образовались центры кристаллизации. Продолжительность кристаллизации легко контролируется, а значит — можно создавать наночастицы разного размера. Оставалось лишь ждать, когда бизнес обратит внимание на изобретение.
Ситуация коренным образом изменилась в 2012—2013 годах, когда несколько крупных производителей домашней электроники создали телевизоры с QLED-экраном (буква Q указывает на квантовые точки): нанокристаллы поглощают свет (то есть энергию) синих диодов (их авторы отмечены Нобелевской премией в 2014 году), а затем испускают эту энергию на другой длине волны, производя зеленый и красный цвета. Такие экраны более энергоэффективны и обладают лучшей цветопередачей, поэтому технология так популярна: по оценкам экспертов, в 2026 году рынок квантовых точек составит $ 8,6 млрд.
Полупроводниковые наночастицы нашли применение не только в телевизорах, телефонах и планшетах. «Наилучшие оптические характеристики демонстрируют так называемые эпитаксиальные квантовые точки, изготовленные на основе полупроводников химической группы А3В5, такие как InAs, GaAs, InSb, GaSb, InP, GaP и т. д. Такие объекты (наногетероструктуры) изготавливаются с применением достаточно сложных технологий -молекулярно-пучковой или газо-фазной эпитаксии — и представляют собой вкрапления более узкозонного полупроводника с малыми размерами (квантовые точки) в матрице более широкозонного (например, квантовые точки InAs в матрице GaAs). На основе таких структур изготавливаются оптоэлектронные приборы (например, лазерные диоды со специальными характеристиками) и, что более важно, перспективные приборы квантовой фотоники (например, излучатели одиночных фотонов для систем квантовых вычислений и квантовых коммуникаций)», — объясняет А. Торопов.
Не менее важно и медицинское использование квантовых точек: если нанокристалл полупроводника прикрепить к молекуле ДНК, определенному белку или другой биологически активной молекуле, то можно отслеживать их движение в реальном времени, а также создать трехмерную визуализацию с высоким разрешением. Квантовые точки в 20 раз ярче и в 100 раз стабильнее традиционных флуоресцирующих красителей. Таким образом, биологи и врачи получили очень точный и надежный инструмент для лабораторных исследований (прежде всего, связанных с онкологией). Пожалуй, самым неожиданным применением квантовых точек в медицине может стать вакцинация: в 2019 году был запатентован метод введения в кровь пациента вакцины и специального невидимого красителя на основе квантовых точек, чтобы под кожей хранилась информация о том, какую вакцину и когда ему ввели. Это важно для тех регионов, где бумажное и электронное ведение медицинских карт не практикуется.
Не менее интересны эксперименты с целью создания новых поколений и типов фотоэлектрических устройств.
Всё вышесказанное несомненно доказывает, что практическая значимость работы нобелевских лауреатов 2023 года не вызывает сомнений, как и их научные достижения.
«Характерный размер свободного электрона обычно определяется формулой для длины волны де Бройля. В кристалле полупроводника мы говорим о другом объекте — электроне, взаимодействующем с кристаллической решеткой. Длина волны де Бройля для такого объекта, как правило, существенно больше, чем для свободного электрона. Более того, этот параметр зависит от размера и формы объекта (например, квантовой точки), в котором мы этот „эффективный“ электрон рассматриваем. В этом смысле иногда и говорят о „сжатии“ электрона. Описывая механизм появления квантовых эффектов, правильнее говорить о квантовании энергетического спектра электронных состояний, ограниченных в малом объеме квантовой точки», — объясняет Алексей Торопов, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией квантовой фотоники Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН.
К сожалению, извлечь квантовые точки из стекла невозможно, поэтому в промышленных целях можно использовать только пленки и коллоиды. Технологию их получения на основе горячей инжекции в 1993 году создал третий нобелевский лауреат Мунги Бавенди. Он смог подобрать оптимальный состав и температуру растворителя, а также придумал, как ввести в растворитель раствор полупроводников таким образом, чтобы образовались центры кристаллизации. Продолжительность кристаллизации легко контролируется, а значит — можно создавать наночастицы разного размера. Оставалось лишь ждать, когда бизнес обратит внимание на изобретение.
Ситуация коренным образом изменилась в 2012—2013 годах, когда несколько крупных производителей домашней электроники создали телевизоры с QLED-экраном (буква Q указывает на квантовые точки): нанокристаллы поглощают свет (то есть энергию) синих диодов (их авторы отмечены Нобелевской премией в 2014 году), а затем испускают эту энергию на другой длине волны, производя зеленый и красный цвета. Такие экраны более энергоэффективны и обладают лучшей цветопередачей, поэтому технология так популярна: по оценкам экспертов, в 2026 году рынок квантовых точек составит $ 8,6 млрд.
Полупроводниковые наночастицы нашли применение не только в телевизорах, телефонах и планшетах. «Наилучшие оптические характеристики демонстрируют так называемые эпитаксиальные квантовые точки, изготовленные на основе полупроводников химической группы А3В5, такие как InAs, GaAs, InSb, GaSb, InP, GaP и т. д. Такие объекты (наногетероструктуры) изготавливаются с применением достаточно сложных технологий -молекулярно-пучковой или газо-фазной эпитаксии — и представляют собой вкрапления более узкозонного полупроводника с малыми размерами (квантовые точки) в матрице более широкозонного (например, квантовые точки InAs в матрице GaAs). На основе таких структур изготавливаются оптоэлектронные приборы (например, лазерные диоды со специальными характеристиками) и, что более важно, перспективные приборы квантовой фотоники (например, излучатели одиночных фотонов для систем квантовых вычислений и квантовых коммуникаций)», — объясняет А. Торопов.
Не менее важно и медицинское использование квантовых точек: если нанокристалл полупроводника прикрепить к молекуле ДНК, определенному белку или другой биологически активной молекуле, то можно отслеживать их движение в реальном времени, а также создать трехмерную визуализацию с высоким разрешением. Квантовые точки в 20 раз ярче и в 100 раз стабильнее традиционных флуоресцирующих красителей. Таким образом, биологи и врачи получили очень точный и надежный инструмент для лабораторных исследований (прежде всего, связанных с онкологией). Пожалуй, самым неожиданным применением квантовых точек в медицине может стать вакцинация: в 2019 году был запатентован метод введения в кровь пациента вакцины и специального невидимого красителя на основе квантовых точек, чтобы под кожей хранилась информация о том, какую вакцину и когда ему ввели. Это важно для тех регионов, где бумажное и электронное ведение медицинских карт не практикуется.
Не менее интересны эксперименты с целью создания новых поколений и типов фотоэлектрических устройств.
Всё вышесказанное несомненно доказывает, что практическая значимость работы нобелевских лауреатов 2023 года не вызывает сомнений, как и их научные достижения.
Биография квантовых точек
В 2021 году Американское химическое общество в своем журнале опубликовало статью «Нанокристаллические квантовые точки: от открытия к современности». По сути, это официальная биография квантовых точек, написанная Александром Эфросом (соавтором Алексея Екимова) и Луисом Брюсом, нобелевским лауреатом 2023 года.
Как пролить свет на электроны?
Если лауреаты Нобелевской премии в области химии сумели создать кристаллы столь малого размера, что в них проявляются квантовые эффекты, то лауреаты в области физики создали инструмент, способный в прямом смысле пролить свет на квантовые эффекты. Нобелевскую премию по физике в 2023 году получили Пьер Агостини, Ференц Краус и Анн ЛʼЮилье «за экспериментальные методы, генерирующие аттосекундные импульсы света для изучения динамики электронов в веществе».
Чтобы продемонстрировать, что такое аттосекунда (одна миллиардная одной миллиардной доли секунды, или 10-18), Нобелевский комитет предложил такую аналогию: в одном сердцебиении столько аттосекунд, сколько сердцебиений умещается во всей истории вселенной с момента Большого взрыва (13,8 млрд лет). Еще одно сравнение: если представить себе свет, скорость которого в вакууме 300 тыс. км в секунду, за одну аттосекунду он преодолеет расстояние в 300 нанометров (это примерно длина волны среднего ультрафиолетового излучения). То есть благодаря работе нынешних лауреатов ученые могут наблюдать крошечный мир не молекулярных (для этого было достаточно фемтосекундных лазеров, за них Нобелевскую премию дали в 2018 году), а внутриатомных явлений. «Информация об атоме или молекуле может быть считана через информацию об электронах. Процессы возбуждения, релаксации, обмена зарядовыми комплексами в атомах и молекулах происходят за счет изменения их электронных состояний, то есть изменения населенностей (плотности электронов) конкретных состояний (имеющих определенную энергию) в атоме и молекуле. Аттосекундные импульсы, как фотоаппарат с аттосекундным временем открытия затвора, позволяют сделать резкий снимок быстротечной жизни электронов, то есть как бы „заморозить“ быстрые электронные движения и тем самым извлечь информацию, закодированную в этих электронных состояниях об атоме или молекуле», — объясняет Федор Потемкин, доктор физико-математических наук, доцент физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.
Если лауреаты Нобелевской премии в области химии сумели создать кристаллы столь малого размера, что в них проявляются квантовые эффекты, то лауреаты в области физики создали инструмент, способный в прямом смысле пролить свет на квантовые эффекты. Нобелевскую премию по физике в 2023 году получили Пьер Агостини, Ференц Краус и Анн ЛʼЮилье «за экспериментальные методы, генерирующие аттосекундные импульсы света для изучения динамики электронов в веществе».
Чтобы продемонстрировать, что такое аттосекунда (одна миллиардная одной миллиардной доли секунды, или 10-18), Нобелевский комитет предложил такую аналогию: в одном сердцебиении столько аттосекунд, сколько сердцебиений умещается во всей истории вселенной с момента Большого взрыва (13,8 млрд лет). Еще одно сравнение: если представить себе свет, скорость которого в вакууме 300 тыс. км в секунду, за одну аттосекунду он преодолеет расстояние в 300 нанометров (это примерно длина волны среднего ультрафиолетового излучения). То есть благодаря работе нынешних лауреатов ученые могут наблюдать крошечный мир не молекулярных (для этого было достаточно фемтосекундных лазеров, за них Нобелевскую премию дали в 2018 году), а внутриатомных явлений. «Информация об атоме или молекуле может быть считана через информацию об электронах. Процессы возбуждения, релаксации, обмена зарядовыми комплексами в атомах и молекулах происходят за счет изменения их электронных состояний, то есть изменения населенностей (плотности электронов) конкретных состояний (имеющих определенную энергию) в атоме и молекуле. Аттосекундные импульсы, как фотоаппарат с аттосекундным временем открытия затвора, позволяют сделать резкий снимок быстротечной жизни электронов, то есть как бы „заморозить“ быстрые электронные движения и тем самым извлечь информацию, закодированную в этих электронных состояниях об атоме или молекуле», — объясняет Федор Потемкин, доктор физико-математических наук, доцент физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.
В релизе Нобелевского комитета возможности аттофизики показаны весьма забавно: вспышка света осветила интимную жизнь электронов. В реальности, конечно, электроны имеют одинаковый заряд, а потому отталкиваются друг от друга. Что ж, ради столь яркой метафоры можно и пренебречь научностью.
Путь к аттофизике открыла Анн ЛʼЮилье. В 1987 году в Париже она обнаружила, что если в среде благородного газа, например аргона, запустить вспышку инфракрасного лазера, то вторичное излучение будет жестким ультрафиолетом, то есть длина волны такого вторичного света будет в 30 раз меньше, чем у исходного лазера. Позднее А. ЛʼЮилье с коллегами объяснили этот феномен: лазер придает электрону достаточно энергии, чтобы он покинул свой энергетический уровень внутри атома или даже сам атом (в таких случаях говорят об оже-электронах); но при столкновении оже-электронов с ионами появляется тормозное излучение, то есть избыточную энергию оже-электрон превращает в квант электромагнитного поля (свет) и возвращается в атом. Используя эффект взаимного наложения волн и систему зеркал, из широкого спектра высокочастотного излучения можно выделить требуемую гармонику — импульс коротковолнового излучения с длительностью менее 1 фемтосекунды. Таким образом, не имея принципиально новой техники, удалось существенно уменьшить длину волны лазера: путь к аттофизике был открыт.
Там же, в Институте Париж-Сакле, в 1994 году Пьер Агостини сумел создать систему измерения продолжительности сверхкоротких импульсов — RABBIT (Reconstruction of Attosecond Beating By Interference of Two-photon Transitions — реконструкция аттосекундных колебаний путем интерференции двухфотонных переходов). И в 2001 году П. Агостини со своей группой получил серию импульсов в 250 аттосекунд, а в Вене Ференц Краус сумел создать изолированные импульсы в 650 аттосекунд. Сегодня самые короткие импульсы — 43 аттосекунды.
Кстати, при участии Ф. Крауса был разработан молекулярный дактилоскопический анализ: ученые предлагают с помощью фемто- и аттосекундных импульсов проводить спектроскопию биологических жидкостей, для того чтобы выявлять биомаркеры различных заболеваний, прежде всего онкологических. Специфические молекулы авторы метода называют отпечатками пальцев болезней (отсюда и название); в первом исследовании они сосредоточили внимание на четырех распространенных видах рака: молочной железы, мочевого пузыря, простаты и легких. Пока трудно сказать, каково будущее этого метода в медицине (во многом это вопрос не только качества анализа, но и его стоимости), но нет сомнений, что в физике аттосекундные лазеры станут ступенью к качественно иному использованию квантовых явлений: «Опыт предыдущих исследований показывает: где измерение, там управление и контроль. Уже возникла область lightwave-электроники, и с ней связано одно из наиболее интересных приложений аттосекундной физики. Появилась возможность управлять свойствами материалов, а именно кодировать информацию не на огибающей поля, как в петагерцовой электронике, а на временах движения электронов! Ученые стремятся к управлению процессами на временах движения электронов, на частотах 1018 Гц. В каком-то смысле это превращение электрона в кубит», — уверен Ф. Потемкин.
Магистерская программа МГУ Саров «Экстремальные электромагнитные поля, релятивистская плазма и аттосекундная физика» более чем актуальна. На очереди зептосекунды (в 1000 раз меньше, чем аттосекунда), которые позволят «увидеть» процессы, происходящие в ядерных масштабах, а также получить доступ к движению электронов в тяжелых атомах. Кроме того, генерация аттосекундных импульсов — эффективный способ получения сверхинтенсивных электромагнитных полей с возможностью достижения так называемого Швингеровского предела интенсивности на уровне 1024 Вт/см2. Для чего это нужно, в своей лекции для магистрантов МГУ Саров рассказал Александр Сергеев, академик РАН: «В соответствии с представлениями, существующими в физике, вакуум — это квантовый вакуум, у него есть своя пространственно-временная структура. Он кишит электрон-позитронными парами, это море Дирака. И поля на уровне Швингеровского и выше (на уровне 1024 Вт/см2. — Прим. ред.) отрывают электроны от позитронов, то есть мы можем разрушить вакуум и понять его строение».
А значит, можно не сомневаться: лазерная физика год за годом будет отмечаться Нобелевским комитетом.
Там же, в Институте Париж-Сакле, в 1994 году Пьер Агостини сумел создать систему измерения продолжительности сверхкоротких импульсов — RABBIT (Reconstruction of Attosecond Beating By Interference of Two-photon Transitions — реконструкция аттосекундных колебаний путем интерференции двухфотонных переходов). И в 2001 году П. Агостини со своей группой получил серию импульсов в 250 аттосекунд, а в Вене Ференц Краус сумел создать изолированные импульсы в 650 аттосекунд. Сегодня самые короткие импульсы — 43 аттосекунды.
Кстати, при участии Ф. Крауса был разработан молекулярный дактилоскопический анализ: ученые предлагают с помощью фемто- и аттосекундных импульсов проводить спектроскопию биологических жидкостей, для того чтобы выявлять биомаркеры различных заболеваний, прежде всего онкологических. Специфические молекулы авторы метода называют отпечатками пальцев болезней (отсюда и название); в первом исследовании они сосредоточили внимание на четырех распространенных видах рака: молочной железы, мочевого пузыря, простаты и легких. Пока трудно сказать, каково будущее этого метода в медицине (во многом это вопрос не только качества анализа, но и его стоимости), но нет сомнений, что в физике аттосекундные лазеры станут ступенью к качественно иному использованию квантовых явлений: «Опыт предыдущих исследований показывает: где измерение, там управление и контроль. Уже возникла область lightwave-электроники, и с ней связано одно из наиболее интересных приложений аттосекундной физики. Появилась возможность управлять свойствами материалов, а именно кодировать информацию не на огибающей поля, как в петагерцовой электронике, а на временах движения электронов! Ученые стремятся к управлению процессами на временах движения электронов, на частотах 1018 Гц. В каком-то смысле это превращение электрона в кубит», — уверен Ф. Потемкин.
Магистерская программа МГУ Саров «Экстремальные электромагнитные поля, релятивистская плазма и аттосекундная физика» более чем актуальна. На очереди зептосекунды (в 1000 раз меньше, чем аттосекунда), которые позволят «увидеть» процессы, происходящие в ядерных масштабах, а также получить доступ к движению электронов в тяжелых атомах. Кроме того, генерация аттосекундных импульсов — эффективный способ получения сверхинтенсивных электромагнитных полей с возможностью достижения так называемого Швингеровского предела интенсивности на уровне 1024 Вт/см2. Для чего это нужно, в своей лекции для магистрантов МГУ Саров рассказал Александр Сергеев, академик РАН: «В соответствии с представлениями, существующими в физике, вакуум — это квантовый вакуум, у него есть своя пространственно-временная структура. Он кишит электрон-позитронными парами, это море Дирака. И поля на уровне Швингеровского и выше (на уровне 1024 Вт/см2. — Прим. ред.) отрывают электроны от позитронов, то есть мы можем разрушить вакуум и понять его строение».
А значит, можно не сомневаться: лазерная физика год за годом будет отмечаться Нобелевским комитетом.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ