Ученые НИЯУ МИФИ – о достижениях нобелевских лауреатов

В разгаре Нобелевская неделя, с понедельника по среду были объявлены имена нобелевских лауреатов 2023 года по естественным наукам – медицине, физике и химии. И хотя среди нобелевских лауреатов нынешнего года нет выпускников НИЯУ МИФИ (а жаль – был бы повод добавить памятник к нашей Нобелевской аллее), в лабораториях университета идут исследования, тесно связанные с темами, которыми занимаются удостоенные высокого признания ученые. Поэтому мы попросили сотрудников и партнеров НИЯУ МИФИ высказаться о значимости достижений нобелевских лауреатов.

Фотолюминесценция коллоида с квантовыми точками разных размеров

Медицина

Лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине в 2023 году стали венгерский биохимик Каталин Карико и американец Дрю Вайсман за открытия, которые позволили разработать эффективные мРНК-вакцины против COVID-19.

Давний партнер НИЯУ МИФИ, доктор биологических наук, руководитель отдела общей вирусологии Института вирусологии им. Д.И. Ивановского ФГБУ «НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи», профессор Эдуард Карамов отмечает, что в основе новой методики разработки вакцин лежат инновационные, подходы. «Тут было много находок: генно-инженерных, биохимических, технологических. В частности, надо было как-то замаскировать РНК, потому что врожденный иммунитет клетки очень быстро находит чужеродные нуклеиновые кислоты, – рассказал ученый. – Карико и Вайссману удалось обмануть врожденный иммунитет, и сейчас мРНК-вакцины работают, ими проиммунизированы более 100 миллионов человек. Это открывает подходы к созданию многих вакцин, в том числе вакцин против рака».

В то же время эксперт отмечает, что наблюдаются отрицательные последствия применения таких вакцин. «Новаторские РНК-вакцины вызывают довольно сильный воспалительный эффект – наблюдается много случаев тромбозов, воспалений сердечной мышцы, – подчеркнул Эдуард Карамов. – Предстоит еще много работать над тем, чтобы уменьшить отрицательные последствия новых вакцин».

По мнению ученого, одним из подходов, уменьшающих негативные последствия нового типа вакцин, может стать применение новых методов доставки.

«Мы часто не замечаем тех работ, которые выполняют отечественные ученые, – подчеркивает профессор Эдуард Карамов. – В частности, Центр Гамалеи вместе с НИЯУ МИФИ создал очень интересные нанокремниевые частицы. Результаты, полученные группой ученых под руководством главного научного сотрудника ИФИБ НИЯУ МИФИ Виктора Тимошенко, открывают новые перспективы создания антивирусных веществ».

Вообще, окислы кремния – гидрофобные соединения, но физики смогли сделать их гидрофильными путем облучения лазером. Оказалось, что такие частицы могут быть использованы для доставки лекарственных средств, но самое удивительное, что эти наночастицы оказались еще и высокоэффективными антивирусными препаратами. Они инактивируют вирусы. «Это было продемонстрировано на модели вируса иммунодефицита человека и на модели коронавируса. Наши ученые получили патент на изобретение. И оно ждет внедрения. На этой основе могут быть созданы препараты, инактивирующие вирусы, эффективные дезинфектанты, которые найдут широкое применение. Например, они могли бы использоваться для дезинфекции магазинов. Это неинвазивные, нетоксичные и высокоэффективные средства» – констатирует Эдуард Карамов.

Комментарий Эдуарда Карамова опубликован на ленте информационного агентства ТАСС.          

Физика

3 сентября было объявлено, что Нобелевскую премию по физике получили ученые Пьер Агостини, Ференц Крауш и Анн Л'Юилье за исследования в области аттосекундной физики, которые открывают новые способы изучения внутриатомного мира.

Директор Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ, доктор физико-математических наук Андрей Кузнецов рассказал, что в истории лазерной физики предшествовало открытию нобелевских лауреатов. Все дело в том, что лазер позволяет за очень короткое время высвободить всю накопленную энергию. Если у вас один джоуль света высвечивается в одну микросекунду – то у вас есть лазер мощностью один мегаватт.  А если тот же самый джоуль высвечивается в одну наносекунду – то уже гигаватт. Уже давно ученые ведут гонку за увеличение мощности лазера – то есть за уменьшение длительности импульса. Уже удалось добиться генерации фемтоимпульсов, то есть импульсов длительностью 10 в минус пятнадцатой степени секунды. В пространстве этот масштаб примерно соответствует размерам одного атома, а на масштабе времени в фемтосекунду атомы практически неподвижны.

Однако, чем короче время лазерного импульса, тем шире его спектр.

«Лазерный импульс, укороченный до размеров фемтосекунды, превращается в белый свет (суперконтинуум), включающий весь диапазон видимого света. Предел процесса укорочения лазерных импульсов, ограничен длительностью не менее единиц полуволн. Это значит, что в видимом диапазоне лазер не может быть короче примерно 2 фемтосекунд. Таким образом, чтобы сокращать длительность импульса, надо уменьшать длину волны» – объяснил Андрей Кузнецов.

Чтобы достигать длительности аттосекунд – а это 10 в минус восемнадцатой степени секунды - пришлось использовать возможности нелинейной оптики, пользоваться тем, что нелинейные среды «умножают» частоты (энергию кванта) взаимодействующего с ними лазерного излучения. Использование таких нелинейных эффектов в газовых струях, плазме, твердом теле позволило превращать лазеры видимого диапазона в рентгеновские. С лазерами длиной волны порядка нескольких десятков нанометров уже можно получать импульсы длительностью в атттосекунды.

При этом, по словам Андрея Кузнецова, аттосекундные импульсы обычно используются для диагностики состояния квантовых физических систем. Они позволяют «увидеть», что делается в атомах и молекулах – хотя, конечно, речь идет не о том, чтобы буквально увидеть, а о том, чтобы применением сложных математических алгоритмов восстановить динамику частиц. Это сложное взаимодействие экспериментальной и теоретической физики. Для диагностики может использоваться пара лазерных импульсов: первый возбуждает физическую систему, а второй, аттосекундный, «считывает», что в ней происходит. С помощью большого количества таких импульсов мы можем отследить, что происходит с электронной оболочкой атома, или с совокупностью таких оболочек.

Заведующий кафедрой теоретической ядерной физики Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ, доктор физико-математических наук Сергей Попруженко добавляет: нобелевской премии удостоено не одно изобретение, а длинная цепь экспериментов, которые основаны, во-первых, на открытии надпороговой ионизации атомов (что сделал Пьер Агостини), во-вторых, на процессе генерации высоких гармоник лазерного изучения (что сделала Энн Л'Юилье), и, в-третьих, на создании техники работы с этими высокими гармониками лазерного излучения, которые позволили получить аттосекундные импульсы (это сделал Ференц Крауш). Цепь открытий, экспериментов и новаций привела к тому, что примерно 15-20 лет назад физики-экспериментаторы научились контролировать в режиме реального времени процессы, которые происходят в атомах и молекулах с электронами. «Если говорить упрощенно, они научились видеть движение электрона в атоме. Эта позволяет создать фактически новые разделы прикладной физики или химии – аттофизику и аттохимию. То есть такой раздел экспериментальной науки, который бы позволил, благодаря контролю электронных движений в атомах, катализировать химические реакции и создавать электромагнитные импульсы еще более короткие, чем те, которые сейчас существуют. Можно будет исследовать те фундаментальные эффекты, которые давно были известны, типа эффекта Оже (одиночный вылет электрона из атома), – говорит Сергей Попруженко. – Созданная нобелевскими лауреатами экспериментальная и теоретическая база позволяет исследовать такие тонкие моменты квантовой механики, как процесс туннелирования электрона сквозь потенциальный барьер, ответить на вопрос, сколько времени ему для этого требуется, и напрямую измерить эти величины».

По мнению Сергея Попруженко, когда техника использования аттосекундных импульсов разовьется еще дальше, можно будет контролировать процессы не только в атомах и молекулах, но и в твердых телах, а значит, и в устройствах на основе полупроводников, где используются сверхбыстрые процессы.

Комментарии наших физиков можно прочесть на сайтах ТАСС, Газеты.ру и Коммерсанта.

Кроме того, профессор НИЯУ МИФИ Владимир Решетов прокомментировал нынешнюю нобелевскую премию по физике в эфире радио «Спутник».

Химия

4 сентября были объявлены лауреаты Нобелевской премии по химии, которыми стали работающие в США ученые - Алексей Екимов, Мунги Бавенди и Луиc Брюс за открытие и синтез так называемых «квантовых точек».

Как объяснил заведующий лабораторией гибридных фотонных наноматериалов Инженерно-физического института биомедицины НИЯУ МИФИ, кандидат химических наук Павел Самохвалов, «Квантовые точки» – это кристаллы полупроводников, важной особенностью которых является то, что их размеры находятся в пределах от одного до двадцати нанометров. Благодаря таким размерам по своей физической природе квантовые точки находятся в промежуточном состоянии между молекулярными и атомными системами с одной стороны и макроскопическими полупроводниками с их характерными оптическими свойствами – с другой. При этом их электронные и оптические свойства зависят от размеров. «Если нанокристалл маленький, то его способность к флуоресценции или поглощению света находится в одном спектральном диапазоне, а если большой – то диапазон смещается. Соответственно, регулируя размер нанокристалла, мы можем изменять его оптические характеристики» – поясняет Павел Самохвалов.

По словам ученого, каждый из трех нобелевских лауреатов внес важный вклад в развитие темы квантовых точек. Наш бывший соотечественник Алексей Екимов со своими коллегами был первый, кто показал эффект размерного квантования, то есть зависимости оптических свойств нанокристаллов от их размеров. Второй ученый, Луис Брюс, предложил теорию, объясняющую эти свойства, и потом выполнил много экспериментальных работ, в которых показал, что действительно можно получать такие объекты. Но поскольку это делалось в не совсем удачных реакционных средах, ему не удавалось делать эксперименты воспроизводимыми в больших количествах. Команда третьего ученого, Муни Бавенди, в 1996 году предложила метод синтеза нанокристаллов, благодаря которому уже многие группы ученых получили возможность синтезировать их.

Доцент кафедры физики конденсированных сред Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике НИЯУ МИФИ, кандидат химических наук Александра Фрейдзон напоминает, что существование квантовых точек, также как квантовых ям и проводов следует из решения уравнения Шрёдингера при изменении граничных условий: при ограничении в одном направлении получается квантовая яма, в двух - квантовый провод, а в трех – квантовая точка. Нобелевская премия по физике 2000 года присуждена Жоресу Ивановичу Алферову за полупроводниковые гетероструктуры, в которых могут проявляться эффекты квантовых ям.

С практической реализацией квантовых точек главная проблема в том, что у наноразмерных объектов соотношение поверхности с объемом таково, что количество атомов на поверхности сопоставимо с количеством атомов в объёме частицы. «Фактически это сплошная поверхность. А у атомов на поверхности, в отличие от тех что в объёме, есть свободные валентности. Поэтому нанообъекты сами по себе нестабильны, их требуется каким-то образом стабилизировать. Без этого наночастицы слипаются между собой» – разъясняет Александра Фрейдзон.

Способ стабилизации нашел Алексей Екимов, который стабилизировал частицы хлорида меди в стекле и показал, что цвет получившегося стекла обусловлен размером наночастиц.

Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры трансляционной медицины Инженерно-физического института биомедицины НИЯУ МИФИ Антон Залыгин констатирует, что в быту мы уже привыкли к использованию квантовых точек в телевизорах и диодных лампах, но квантовые точки могут быть использованы также как биомаркеры для визуализации и диагностики различных болезней, таких как рак, инфекции, альцгеймер и других. Они могут быть связаны с антителами, ДНК, РНК или другими биомолекулами и специфически прикрепляться к целевым клеткам или тканям. Затем они могут быть возбуждены светом определенной длины волны и излучать свет другой длины волны, который можно обнаружить с помощью специальных камер или датчиков.

Антон Залыгин также перечислил много других направлений возможного применения квантовых точек. Они могут быть использованы как кубиты для квантовых вычислений, так как они могут находиться в суперпозиции двух состояний (0 или 1) и взаимодействовать с другими кубитами через квантовую запутанность. Их можно применять для генерации одиночных фотонов, которые могут служить носителями квантовой информации. Квантовые точки могут повысить эффективность солнечных элементов, так как они способны поглощать широкий спектр солнечного излучения. Кроме того, квантовые точки могут быть использованы для создания солнечных батарей нового поколения, которые могут быть гибкими, прозрачными и дешевыми.

«Как в Инженерно-физическом институте биомедицины МИФИ, так и в Институте биоорганической химии РАН мы постоянно используем эти наночастицы, исследуя их свойства, создавая на их основе новые наноматериалы и применяя их в биологии и медицине» – констатирует Антон Залыгин.

Заведующий Лабораторией фотоники и оптической обработки информации НИЯУ МИФИ, профессор Ростислав Стариков добавляет, что благодаря технологиям с использованием квантовых точек можно создавать новые источники света, в частности, источники лазерного излучения с заданными характеристиками, – например с синхронизированными модами.

Комментарии ученых НИЯУ МИФИ по теме квантовых точек можно прочесть на ленте РИА «Новости», в «Коммерсанте» и в телеграм-каналах газеты «Ведомости» и  «Научно-образовательная политика».

Нобелевская премия – прекрасный повод увидеть важнейшие этапы развития современной науке. Можно быть благодарным Альфреду Нобелю и Нобелевскому комитету, за то, что, увеличивая общественный интерес к работе ученых, он способствует популяризации научных исследований.