«Химия и Жизнь», Октябрь 2022

Нобелевскую премию по химии в этом году дали за идеальную химию — клик-реакцию. Ее в среде химиков последние 20 лет называют методом Фокина — Шарплесса. А Валерия Фокина среди лауреатов нет, хотя именно он открыл первую клик-реакцию, катализируемую солями меди.

Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2022 года получил Сванте Паабо — «за его открытия, касающиеся геномов вымерших гоминин и эволюции человека». Геномы неандертальцев, геномы денисовцев, геном «принцессы-полукровки» — Денни, дочери денисовца и неандерталки — практически о всех подвигах Сванте Паабо с коллегами мы писали. И сама наука палеогеномика возникла благодаря Сванте Паабо.

Робототехники Корнеллского университета создали и установили процессорную микросхему на основе тысячи транзисторов в тело микробота. Схема генерирует сдвинутые по фазе управляющие электрические импульсы для скоординированной работы перемещающих его платиновых приводов. Теперь робот размерами в десятые доли миллиметра способен автономно передвигаться со скоростью десять микрон в секунду. Новая разработка на четыре порядка снизила размер электронного мозга. Процессор несложно производить в промышленных масштабах, так как он используют общепринятые технологии микроэлектроники.

При узнавании объектов люди всегда опираются на взаимное расположение их различных частей и оценивают его конфигурацию в целом. Ученые показали, что нейронные сети, моделирующие распознавание образов, не обладают чувствительностью к их форме. В сравнительных экспериментах математики разрезали на две части силуэты животных, а затем неправильно их соединяли. Искаженные предметы, названные франкенштейнами, вводили людей в заблуждение, но на выводы нейросети такие изменения влияния не оказывали. Авторы пишут, что ни одна из сложных сетей так и не сумела полностью воспроизвести последовательность человеческих ответов при распознавании предметов. Работа ставит под сомнение многие приложения ИИ.

В печати появилась статья, посвященная новой универсальной модели передвижения роботов. В исследовании показано, что скользящие змеи, плывущие в жидкости микробы, двигающиеся в песке ящерицы, извивающиеся черви, бегающие многоножки и даже гуляющие лошади подчиняются единой математической модели. Она описывает перемещение в вязкой жидкости. Закономерности плавания с трением оказались теми же, что и закономерности передвижения многоножек. Переход от ползания к ходьбе непрерывен. Эволюционные биологи получили еще одно подтверждение того, что все живые существа произошли от похожего на червя организма, две половинки которого были зеркальными отражениями друг друга. Относительное движение двух частей позволяло ему перемещаться в воде и выбираться на сушу.

Швейцарские ученые нашли способ автоматизировать флуоресцентный микроскоп с помощью ИИ. Такой микроскоп способен фиксировать редкие биологические события, но сделать это ему непросто, так как постоянное возбуждение флуоресценции может повредить биообъекты. ИИ выявляет признаки начала изучаемых процессов, а затем специальная программа комбинирует медленное фоновое получение изображений и частую фиксацию явлений в моменты их развития. Биофизики уже освоили детектирование митохондриальных и бактериальных делений при скоростях, соответствующих их динамике. Для желающих автоматизировать свои приборы авторы выложили собственные программы в открытый доступ.

Команда исследователей из Лос-Аламоса установила, что нейронные сети, тренированные на компьютерное распознавание образов, стремятся к похожим представлениям данных, независимо от начальных различий в своих архитектурах. Математики получили этот результат во время проверки нового метода сравнения так называемых состязательных нейронных сетей. Во время обучения исходные данные для такой сети намеренно искажают, чтобы она научилась не замечать вредных влияний. Интерпретация найденных результатов до конца не ясна даже самим авторам работы. Они подозревают, что открыли универсальные закономерности визуального восприятия образов мозгом человека и животных.

Каждый год Химический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова выпускает методический сборник, посвященный проблемам естественнонаучного образования, среднего и высшего. И мы периодически выхватываем из него статьи, которые понравились нам, а значит, будут интересны нашим читателям. В этом номере предлагаем вашему вниманию размышления Юрия Александровича Золотова, постоянного автора и друга «Химии и жизни», о докторских диссертациях химиков.

Птичий помет или коровья лепешка, которые оскорбляют наше обоняние и зрение и которым место, казалось бы, только в компостной куче или в печке, на самом деле — ценнейшее сырье. Из навоза столько всего можно сделать!

Среди многочисленных недугов человечества значительное место занимают запоры. В развитых странах ими страдает от 30 до 50% взрослого населения и до 20% детей. К счастью, в нашем распоряжении немало слабительных средств. Это и специальные диеты, и лекарства, приготовленные, в том числе, на растительной основе. Список слабительных растений велик, в него попали и представители славного семейства крушиновых, или жостеровых, Rhamnaceae.

Физики из Университета Квинсленда построили удивительно точную полуэмпирическую модель квантовых явлений и фазовых переходов в спин-кроссовер веществах. Их получают внедрением в твердые матрицы примеси металлоорганических комплексов, состояния которых можно переключать внешними полями. Такие материалы, например, в виде тонких пленок, проявляют разнообразные переходы, необходимые для работы различных электронных приборов. Ученые продемонстрировали результаты своей работы на кремниевой матрице, а также предложили химикам пути синтеза новых материалов.

Физики изменили ответное излучение подкожного флуоресцентного датчика так, чтобы легко отличать его отклик от сигналов окружающих тканей. Для этого сенсор возбуждали смесью трех лазерных излучений с меняющейся частотой. За счет нелинейных эффектов он флуоресцировал на удвоенной частоте возбуждения, которая и служила его маркером. Подход универсален потому, что удвоение частоты работает на любом флуоресцентном датчике при любых длинах волн лазерной накачки. Это позволит, например, увеличить сигнал от углеродных нанотрубок, из которых делают сенсоры на пероксид водорода, рибофлавин и аскорбиновую кислоту. Так при лечении злокачественных опухолей можно будет отслеживать эффективность лекарств.

Материаловеды моделируют явления в кристаллах с помощью коллоидных парамагнитных частиц во вращающемся магнитном поле. В последних экспериментах частицы полистирола, покрытые оксидом железа, образовывали различные двумерные структуры. Это позволяет понять фазовые переходы на атомных масштабах, так как коллоидные частицы собираются в кластеры аналогичные зернам поликристаллов. Эксперимент показал, что газовая и твердая фазы в них сосуществуют друг с другом. Результаты моделирования позволяют разрабатывать новые материалы и улучшать свойства старых за счет управления границами поликристаллических зерен. Ученые планируют также изучить отжиг, процесс многократных нагреваний и охлаждений, который обычно используют для устранения дефектов в кристаллах.

Немецкие исследователи обнаружили новую молекулу, образованную маленьким положительным ионом рубидия и его же нейтральным ридберговским атомом, который в тысячу раз крупнее обычного. Ученым удалось получить изображение молекулы на ионном микроскопе, специально построенном для этой цели. Она образуется в ультрахолодном газовом облаке под воздействием нескольких лазеров. Оптики измерили колебательный спектр и размеры этого нового иона. Работа открывает новую область интересной физики за пределами квантово-механического приближения Борна – Оппенгеймера.

Ученые университета Хиросимы впервые предложили извлекать кремний и его оксид из рисовой шелухи, сто миллионов тонн которой мир производит ежегодно. Новая технология позволила выделять из шелухи весь оксид кремния и 86% из него преобразовать в нанокремний. Химики также успешно прошли весь производственный цикл изготовления кремниевых квантовых точек и получили светодиоды с рабочим слоем из них. Точки люминесцировали в оранжево-красном свете (680 нм) с эффективностью выше 20% от вложенной энергии возбуждения. Авторы уверены, что их технологию можно применить к сахарному тростнику, бамбуку, ячменю, пшенице, даже травам.

Статьи в этой рубрике обычно напоминают о юбилеях достойных и уважаемых деятелей науки. Вспоминать о персонах недостойных в журнале не принято. Я хочу нарушить эту традицию, поскольку и такие биографии таят в себе немало поучительного. Двадцать восьмого сентября 2022 года исполнилось 120 лет со дня рождения Исаака Израилевича Презента (1902–1969), философа естествознания, ближайшего соратника недоброй памяти академика Трофима Денисовича Лысенко (1898–1976). Без помощи Презента он никогда не стал бы тем, кем он стал. А 6 декабря исполняется 130 лет со дня рождения Эрнеста Яромировича Кольмана (1892–1979), непримиримого борца с идеализмом в физике и математике.

Команда специалистов по неорганической химии и квантовой физике синтезировала новый трехъядерный кобальтовый комплекс и на ядерном магниторезонансном спектрометре выяснила его температурную чувствительность, которая оказалось на порядок выше средней. МРТ-сигнал от внедренных в тело комплексов может сообщать о мизерных сдвигах температуры, то есть новая молекула будет высокочувствительным неинвазивным термометром. Это, например, поможет врачам определить границы злокачественной опухоли, чтобы затем с молекулярной точностью удалить лазерным испарением окружающие ее ткани. Ученые полагают, что новое магнитное вещество можно использовать не только в медицине, но и при разработке квантовых компьютеров.

До сих пор физики изучали эффекты нелинейного смешения частот в основном у волн видимого и близких к нему диапазонов электромагнитных излучений. Группа германских исследователей впервые получила новый вид четырехволнового взаимодействия с участием ультракоротких импульсов мягкого рентгеновского и инфракрасного излучений, которое происходило в монокристаллах LiF. При этом энергия двух ик-фотонов перекачивалась в один рентгеновский фотон и наоборот. Оказалось, что во взаимодействии участвуют внутренние электронные оболочки атома лития. Результаты работы представляют как фундаментальный, так и прикладной интерес.

Нанооптики Гарвардского университета построили зеркало из алмаза, одного из самых твердых земных кристаллов. Для этого на поверхность его тонкой пластины нанесли наноструктуры специфической формы. Сегодня большинство лазерных зеркал, служащих для отражения и перенаправления излучения мощных непрерывных лазеров представляют собой многослойные диэлектрические покрытия из пленок с разными показателями преломления. Эксперимент показал, что алмазное зеркало может без разрушения выдержать многократное облучение армейского лазера, способного прожигать сталь. Этот непрерывный инфракрасный лазер мощностью 10 киловатт оптики фокусировали в пятно диаметром 750 микрон. Многослойное зеркало в таких условиях быстро разрушалось.

Крупнейшие города мира отличаются высокой магнитной активностью. Физики из США и Германии, которые представили сравнительный анализ магнитных полей в Беркли рядом с Сан-Франциско и в Бруклине районе Нью-Йорка. Исследователи хотели понять, какие данные о жизни городов удастся извлечь и использовать на благо их жителей. Антропогенная магнитная активность явно проявляла себя в корреляциях сигналов сети магнетометров. Физикам удалось выделить доминирующие источники магнитных полей. Авторы назвали два главных приложения магнитного мониторинга: работа систем раннего предупреждения об экологическом загрязнении и оптимизации распределения электроэнергии.

Кремний естественного состава содержит смесь трех изотопов: Si-28 – 92%, Si-29 – 5% и Si-30 – 3%. Ученые, которые изучали проволоки моноизотопного кремния-28 диаметром 90 нм, выяснили, что теплопроводность в них в два с половиной раза выше, чем у естественного кремния. Причина в том, что нанопроволоки покрываются слоем прозрачного диоксида кремния, а такая конструкция работает волноводом для фононов, которые теперь почти не рассеиваются на поверхности и других изотопах. Эффект существует при комнатных температурах, что очень важно для большинства приложений в микроэлектронике.

Действительно, у нас с «Химией и жизнью» разница меньше года — Физико-математическая школа, наша FMSH.RU, существует официально с 1966 года. В этой статье рассказано о нашей истории, о том, чему мы учим, почему мы вообще этим занимаемся и как мы это делаем. И немного о преподавании физики; наверное, потому, что автор преподает именно ее.

В восьмом номере этого года мы познакомили читателей с висцеральной терапией. Это новый раздел медицины, созданный выдающимся врачом, нашим современником Александром Тимофеевичем Огуловым. В прошлом номере мы начали рассказ о применяемой им безынструментальной диагностике заболеваний и узнали о методах их выявления по лицу. Теперь представляем элементы диагностики по полости рта.

Под утро Максу приснился щенок. Забавный и милый, он смешно перебирал короткими лапами и смотрел на Макса восторженно, как и должны смотреть забавные и милые щенки. Только вот вместо умилительного тявканья, щенок издавал странное, неприятное жужжание...

Изменение Гольфстрима может повлечь за собой кучу бед, а такое не раз случалось в истории планеты за время последнего оледенения. Исследователи из университета Сан-Пауло выяснили детали этого процесса.

В ходе ХХ съезда КПК аналитики подводят итоги развития руководимой ею страны. В области науки, как показало исследование, проведенное специалистами из компании «Digital Science», эти успехи весьма заметны.

Нарисованные двери появлялись повсюду: на стенах, заборах, памятниках... Большие и маленькие, круглые и арочные. Все выглядели так, словно нарисованы мелками, но смыть их не получалось ничем, даже из брандспойта. Полицейские сначала ловили неведомого шутника, потом бросили это дело. Толкиенисты дежурили возле дверей, бормотали «mеllon», стучали, но ничего не происходило...