Очередной триумф прикладников

Нобелевскими лауреатами 2010 года стали выдающиеся исследователи-экспериментаторы, чьи открытия изначально имели очевидный практический выход. На этот раз внимания Нобелевского комитета удостоились не вездесущие американцы, а ученые из Японии, Великобритании и России

Очередной триумф прикладников

Первая декада октября для мировой ученой элиты заполнена напряженным ожиданием. По многолетней традиции именно в этот период происходит раздача волшебных подарков — Нобелевских премий, престижнейших научных наград, присуждаемых Шведской королевской академией наук.

Виртуальная очередь кандидатов в лауреаты очень велика, и нужен провидческий талант, чтобы угадать исход голосования Нобелевского комитета. Капризные «шведские академики» были непредсказуемы и в этот раз. Даже экспертам международной медиагруппы Thomson Reuters, курирующей интернет-портал Web of Science (крупнейшую базу данных по индексам цитирования научных работ в 256 дисциплинах), которые на протяжении нескольких лет довольно успешно попадали в цель своими прогнозами, на этот раз не удалось вычислить ни одного лауреата в трех естественнонаучных номинациях.

Официальное оглашение результатов тоже шло не обычно, а как бы по нарастающей. Обладателем первой из присужденных премий по физиологии и медицине стал один ученый, Нобелевку по физике дали двоим, а лауреатов по химии оказалось уже трое.

[inc pk='1397' service='media']

Однако, несмотря на все эти процедурные фокусы и плотную завесу секретности, некоторые беспроигрышные предсказания общего характера все-таки напрашивались. Скажем, учитывая развитое чувство политкорректности Нобелевского комитета, можно было спро­гнозировать, что нынешний год явно не станет годом очередного триумфа США, поскольку в 2009-м обладатели американского гражданства получили восемь из девяти естественнонаучных премий («чистых американцев» при этом пятеро). Руководимые этим чувством стокгольмские мудрецы, пожалуй, немного переборщили: на сей раз их внимания удостоился лишь один коренной американец, химик Ричард Хек. Жесткость позиции компенсировалась лояльностью к не слишком избалованным Нобелевками японцам, решением подбодрить Великобританию и, косвенным образом, Россию.

Другой беспроигрышный прогноз — обязательное присутствие в списке нобелевских лауреатов заслуженных научных ветеранов, то есть ученых глубоко пенсионного возраста. В этом году таковых оказалось четверо из шести — 85-летний медик и все три химика, соответственно, 1930, 1931 и 1935 годов рождения.

Наконец, снова мощно себя проявил набирающий из года в год силу «прикладной тренд»: сегодняшними лауреатами стали ученые, открытия которых изначально имели очевидную практическую составляющую. Наградами Шведской академии уже в который раз отмечены выдающиеся исследователи-экспериментаторы, предложившие новые, нестандартные решения в трудных ситуациях, требующих креативности мышления.

Дети доктора Эдвардса

Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2010 года получил британский ученый Роберт Эдвардс за создание и развитие метода экстракорпорального оплодотворения. Эта премия из того разряда, про которую говорят «давно пора». На самом деле с момента начала исследований в этой области прошло уже более полувека, с момента рождения первого ребенка из пробирки — более тридцати лет, а Ласкеровской премией, которая зачастую бывает предвестницей Нобелевской, Эдвардса наградили девять лет назад. Заждавшемуся заслуженной награды лауреату уже стукнуло 85.

[inc pk='1398' service='media']

Роберт Эдвардс, который родился в 1925 году в Манчестере, после защиты в 1955 году в Эдинбургском университете диссертации на тему эмбрионального развития у мышей стал штатным исследователем в Национальном институте медицинских исследований в Лондоне. Там с 1958 года он и начал свои изыскания в области человеческого оплодотворения. В ходе практических исследований Эдвардс и его коллеги постепенно пришли к выводу, что оплодотворение вне тела в принципе возможно. В частности опыты на кроликах показали, что яйцеклетки могут быть оплодотворены спермой в пробирке. Однако первая серия опытов с homo sapiens оказалась безрезультатной. Тем не менее многочисленные эксперименты подвели Эдвардса к нескольким важным фундаментальным открытиям, которые касались процесса созревания яйцеклетки, управления этим процессом гормонами, а также благоприятных условий, при которых сперма активируется и может оплодотворить яйцеклетку. И в 1969 году усилия ученых наконец увенчались успехом: впервые человеческая яйцеклетка была оплодотворена в пробирке. Правда, мгновенно пришло и разочарование — клетка поделилась всего один раз, и на этом процесс завершился.

Тогда Эдвардс пришел к выводу, что в опытах нужно использовать максимально созревшие в теле женщин яйцеклетки. Он обратился к работавшему в специализированной клинике гинекологу Патрику Стэптоу, одному из пионеров лапароскопической медицины. Лапароскопия позволяла исследовать яйцеклетки с помощью оптических инструментов, и Стэптоу стал извлекать зрелые яйцеклетки, которые и использовал в своих экспериментах Эдвардс. Он помещал их в специальную биологическую культуральную среду, где они оплодотворялись спермой. Вскоре ученого ждал очередной успех: оплодотворенные клетки стали делиться до восьми раз и формировать эмбрион, который уже можно было подсаживать женщинам на вынашивание. Однако затем исследования Эдвардса на некоторое время притормозились из-за того, что Совет по медицинским исследованиям решил прекратить финансирование проекта. Решение явилось следствием оживленных этических дискуссий с активным участием религиозных деятелей Великобритании. Присуждение Нобелевки-2010 за метод экстракорпорального оплодотворения тоже, кстати, имело отголосок той давней дискуссии — Ватикан в лице одного из высокопоставленных священников римско-католической церкви назвал ЭКО моральным преступлением.

[inc pk='1399' service='media']

Тем не менее тогда, как и в более поздней истории с исследованиями эмбриональных стволовых клеток, этические барьеры оказались некрепкими: частные пожертвования помогли Эдвардсу со Стэптоу возобновить работу. Анализируя уровень гормонов, исследователи смогли определить лучшее время для изъятия яйцеклеток и их оплодотворения, что серьезно повышало шансы на успех.

Об этих экспериментах активно писали газеты и научные журналы Великобритании. Однажды такая заметка попалась на глаза Лесли Браун из Бристоля, которая в течение многих лет выслушивала от врачей только один приговор — беременность невозможна. Лесли написала письмо Эдвардсу и получила от него приглашение посетить клинику Стэптоу. Она приехала туда вместе с мужем, и после обследования, которое подтвердило, что Лесли не может забеременеть из-за непроходимости маточных труб, супружеская пара согласилась на эксперимент. Когда оплодотворенная яйцеклетка была возвращена в организм Лесли, пара уехала домой. Вскоре стало ясно, что эксперимент удался, — миссис Браун вынашивала девочку. 25 июля 1978 года на свет появилась Луиза, и фото здорового младенца обошло газеты и журналы всего мира.

На волне фурора Эдвардс и Стэптоу основали первый в мире центр ЭКО-терапии «Боурн Холл клиник», Эдвардс стал научным руководителем, а Стэптоу — медицинским директором. В клинику приезжали на стажировку гинекологи и клеточные биологи из разных стран. Уже в 1979 году австралийские врачи повторили успех Эдвардса и Стэптоу, и с этого времени ЭКО стало распространяться по всему миру, утверждаясь в качестве признанного направления в медицине. К 1986 году посредством ЭКО в «Боурн Холле» родилась тысяча детей — половина всех младенцев во всем мире, зачатых в пробирках. Сейчас «детей из пробирок» уже четыре миллиона, а средняя эффективность процедуры ЭКО к настоящему времени составляет от 20 до 30%.

В Советском Союзе метод ЭКО стал развиваться с начала 1980-х годов. Профессор, доктор медицинских наук Валерий Здановский входил в одну из четырех групп, внедрявших метод в нашей стране. Его группа была создана на кафедре акушерства и гинекологии Второго Московского мединститута, еще три работали в Ленинградском институте акушерства и гинекологии, в Московском институте акушерства и гинекологии, которым руководил Владимир Кулаков (именно там в 1986 году родился первый советский «ребенок из пробирки»), и в Харьковском мединституте. «Мы начинали в то время, когда фактически не было никаких связей с Западом. Мы буквально отлавливали какие-то сведения, работали по наитию, — вспоминает Валерий Здановский. — Поэтому до успеха нам пришлось идти лет пять. Зато потом на нашей кафедре пробирочных детей появлялось больше, чем в других центрах. Уже позже мы стали выезжать на конференции и конгрессы, где я не раз встречался с Робертом Эдвардсом, и он, несмотря на свои годы, постоянно демонстрировал отличную рабочую форму. Я очень рад за него, за признание его заслуг».

Уникальный графен

Выбор нобелевских лауреатов по физике оказался, пожалуй, главным сюрпризом года. И дело вовсе не в том, что удостоившиеся Нобелевки Андре Гейм и Константин Новоселов не рассматривались в качестве возможных кандидатов на получение премии. Напротив, удивила как раз нетипичная оперативность Шведской академии с признанием заслуг исследователей из Манчестерского университета Великобритании, которые сделали свое важнейшее открытие в 2004 году, — на фоне медицинской и химических премий, присужденных за научные достижения 30–40-летней давности, временной контраст особенно резок. В качестве ремарки отметим, что награду в физической номинации получили очень молодые по нобелевским меркам ученые: Андре Гейму 52 года, а его напарнику Константину Новоселову и вовсе 36 — он стал самым молодым лау­ре­атом по физике за последние 70 лет.

Благодаря результатам работ лауреатов премии по химии получают многие ключевые компоненты лекарственных средств, прежде всего биологически активных веществ

Новоиспеченные лауреаты — воспитанники советско-российской научной школы, окончившие в разное время Московский физико-технический институт в Долгопрудном и продолжившие научную карьеру в Институте проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН в Черноголовке (ИПТМ РАН).

Андрей-Андре Гейм покинул родные просторы еще до распада СССР, в 1990 году. Через четыре года после отъезда он стал профессором голландского Университета Неймегена (и, соответственно, до сих пор официально считается гражданином Нидерландов), а в 2001-м перебрался в Великобританию, возглавив через некоторое время Центр мезонауки и нанотехнологии при Манчестерском университете.

Константин Новоселов, который в настоящее время имеет двойное гражданство, российское и британское, был привлечен Геймом к совместной работе еще будучи аспирантом ИПТМ (к слову, многие нынешние сотрудники манчестерского центра тоже бывшие работники черноголовского института). Именно Новоселов оказался главным генератором новых идей, приведших в итоге к созданию уникального двумерного материала графена, за что ему и Гейму и была присуждена Нобелевская премия-2010.

О перспективнейшем новом классе наноматериалов, графене, и об истории его открытия наш журнал писал неоднократно (первую статью на эту тему «Прыжок русской лягушки» «Эксперт» опубликовал в марте 2007 г.).

[inc pk='1400' service='media']

Экспериментальное открытие в 2004 году группой Гейма—Новоселова стабильных углеродных наноматериалов толщиной всего в один атом углерода (порядка 0,1 нм) стало важнейшим звеном в цепочке исследований углеродных структур, начало которым было положено в 1985-м. Тогда британец Гарольд Крото и американцы Роберт Керл и Ричард Смолли обнаружили принципиально новые углеродные соединения — фуллерены, каркасные сферические многогранники, составленные из правильных пяти- и шестиугольников с атомами углерода в вершинах. (В 1996 году ученые получили за это открытие Нобелевскую премию по химии.)

В 1991 году сотрудник японской корпорации NEC Сумио Идзима выяснил, что атомы углерода могут образовывать не только сферические, но и полые цилиндрические структуры — длиной до сотен микрометров и диаметром около нанометра. Свежеиспеченные (в буквальном смысле этого слова: эксперименты проводились при температуре порядка 4 тыс. градусов) макромолекулы получили название углеродных нанотрубок. Очередная углеродная ипостась, графен, — это слой атомов углерода, соединенных в гексагональную (шестигранную) кристаллическую решетку, которую по большому счету можно считать двумерной копией трехмерного графита.

Теоретическое исследование графена началось задолго до получения реальных образцов этого материала: первые публикации о возможных физических свойствах двумерных кристаллов появились в научной периодике еще в 30–40-е годы ХХ века. Однако вскоре теоретики пришли к выводу, что свободную идеальную двумерную пленку получить невозможно из-за ее нестабильности при сворачивании или скручивании, а тепловые флуктуации приводят к плавлению двумерного кристалла при любой конечной температуре. Лишь после экспериментального открытия углеродных нанотрубок ученые вновь увлеклись поисками двумерных углеродных наноструктур, благо теоретическая база для таких материалов в приложении к углеродным нанотрубкам была к тому времени уже достаточно хорошо проработана.

[inc pk='1401' service='media']

Гейму и его коллегам в исследованиях 2004 года удалось сначала механическим путем «содрать» (при помощи банального бытового скотча) слои графена с поверхности крупного графитового кристалла, а затем, используя комбинированные методы оптической, электронно-лучевой и атомно-силовой микроскопии, полностью отделить эти нанопленки. И как показали первые эксперименты, электроны в графеновой наноткани, по крайней мере на субмикронных расстояниях, при комнатной температуре свободно перемещались по так называемым баллистическим траекториям, то есть не рассеивались в полете. Созданные Геймом и его коллегами
прототипы «баллистических транзисторов», где электроны могут перемещаться с огромными скоростями и с минимальными потерями энергии, — это один из первых реальных шагов к достижению идеала в современной микроэлектронике.

Позднее команде Гейма—Новоселова, тоже впервые, удалось создать одноэлектронные нанотранзисторы на основе графеновых «квантовых точек». Они разработали эффективную методику вырезания из больших графеновых листов крошечных электросхем, состоящих из «квантовых островков» — транзисторов размером всего в десяток атомов.

Особую привлекательность новым графеновым транзисторам для полупроводниковой электроники придает и то, что в отличие от транзисторов из кремния (да и не только из него) они полностью сохраняют стабильность и электропроводность даже при размерах значительно ниже магического порога в 10 нанометров — того самого уровня, по достижении которого начинают активно действовать пресловутые квантовые эффекты (окисление, распад и неконтролируемая миграция по поверхности обычных полупроводниковых транзисторов). В числе других удивительных свойств графена, недавно выявленных исследователями, — прекрасная теплопроводность и очень высокая прочность.

[inc pk='1402' service='media']

За несколько лет, прошедших с момента экспериментального получения первых образцов графеновых пленок, число научных публикаций, посвященных «волшебному наноматериалу» и его различным модификациям (например, графану — комбинации графена с атомами водорода, которую тоже впервые получила группа Гейма—Новоселова в 2009 году), выросло в геометрической прогрессии. Многие эксперты сегодня полагают, что шансы графена стать ключевым электронным материалом ХХI века очень высоки, хотя, по их мнению, маловероятно, что те же промышленные микрочипы на основе графеновых транзисторов появятся ранее 2020–2025 годов. В частности, в настоящее время важнейшее препятствие на пути массовой коммерциализации графеновых технологий — отсутствие методик изготовления крупноразмерных графеновых листов, базовых пластин («вафель») для производства микросхем. Однако «русские манчестерцы» с оптимизмом смотрят в будущее. «Мы сумеем найти технологию для того, чтобы делать такие пластины, — убежден Константин Новоселов. — И когда мы это сделаем, на место кремния придет графен».

Три катализатора

Лауреатами Нобелевской премии по химии стали японцы Эй-Ити Негиси (сотрудник Университета Пердью, Западный Лафайет, США) и Акира Сузуки (Университет Хоккайдо, Саппоро, Япония), а также американец Ричард Хек (отставной профессор Университета Делавэра, Нью-Арк, в настоящее время обосновавшийся на Филиппинах).

Согласно официальной формулировке Нобелевского комитета, Негиси, Сузуки и Хек удостоены высшей научной награды за «открытие реакций кросс-сочетания на основе палладиевых катализаторов в органическом синтезе». Основным направлением работ ученых стал металлокомплексный катализ с использованием соединений палладия в качестве катализаторов образования устойчивой связи углерод-углерод. Интересно, что нынешние лауреаты занимались исследованиями этих химических процессов независимо друг от друга, и каждому из них удалось разработать свои собственные реакции, позднее названные, соответственно, реакциями Хека, Негиси и Сузуки.

Еще в конце 60-х годов прошлого века Ричард Хек, будучи сотрудником Hercules Chemical Company (Вилмингтон, штат Делавэр), впервые обнаружил, что комбинирование различных органических молекул с палладием существенно повышает эффективность образования новых углерод-углеродных комбинаций (кросс-сочетаний), и разработал новую реакцию, в которой в качестве ключевых реагентов выступали так называемые непредельные соединения с двойной связью (в исходном варианте — олефины).

Пока важнейшим препятствием на пути массовой коммерциализации графеновых технологий является отсутствие методик изготовления крупноразмерных графеновых листов

Спустя почти десять лет после этого открытия Хека японец Эй-Ити Негиси предложил свой эффективный метод — также на базе непредельных соединений (прежде всего ацетиленов и алкенов) и с дополнительным участием цинка. Наконец Акира Сузуки еще двумя годами позже усовершенствовал схему своего соотечественника, использовав в реакции вместо цинка борорганические соединения.

Как отметил в беседе с корреспондентом «Эксперта» доктор химических наук, сотрудник Института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН Александр Терентьев, «все три лауреата руководствовались схожими принципами построения каталитического цикла и заложили прочный фундамент для построения аналогичных реакций. К настоящему времени на базе предложенных Негиси, Сузуки и Хеком методов разработано уже более десятка производных каталитических схем. Открытие лауреатами “фирменных” реакций в значительной степени изменило облик современной органической химии, поскольку благодаря им ученые наконец имеют возможность получать сложные и ранее практически недоступные вещества, осуществлять регио- и стереоселективный органический синтез. В настоящее время в промышленности, благодаря результатам работ лауреатов, получают многие ключевые компоненты лекарственных средств, прежде всего биологически активных веществ — БАВов. Причем если ранее такие БАВы получались в результате многоступенчатых процессов, а общий производственный цикл насчитывал до нескольких десятков промежуточных стадий, то новые каталитические реакции сократили эти циклы почти на порядок. Кроме того, открытия оказали значительное влияние на дальнейшее развитие фундаментальных основ органической химии. В частности, фактически появился новый тип катализа — гомогенный катализ, благодаря которому во многом стерлась грань между гетерогенным катализом и классическим органическим синтезом».      

Статьи по теме:
Спецвыпуск

Бремя управлять деньгами

Замедление экономики разводит все дальше банки и реальный сектор

Бизнес и финансы

Номер с дворецким

Карта столичных гостиниц пополнилась новым объектом

Тема недели

От чуда на Хангане — к чуду на Ишиме

Как корейский опыт повышения производительности может пригодиться Казахстану?

Тема недели

Доктор Производительность

Рост производительности труда — главная цель, вокруг которой можно было бы построить программу роста национальной экономики