В Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН прошел традиционный новогодний семинар, на котором исследователи Новосибирского научного центра поделились впечатлениями уходящего года. О ярких научных открытиях и не менее ярких «закрытиях» рассказали представители ИФП СО РАН, Института цитологии и генетики СО РАН, Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Института химической кинетики и горения им В. В. Воеводского СО РАН.

Слушатели семинара узнали о результатах работы телескопа «Джеймс Уэбб», секретах скрипки Страдивари, гибких и растягиваемых транзисторах, особенностях лап белого медведя, преодолении энергетического порога контролируемого термоядерного синтеза и о многих других научных исследованиях и событиях.

О работе ИФП СО РАН в 2022 году рассказал директор Института академик РАН Александр Васильевич Латышев: «Сегодня я подвожу некоторые итоги деятельности института в 2022 году — ИФП в цифрах и фактах — самые яркие, интересные события и достижения. В этом году Институт провел Всероссийскую конференцию “Кремний-2022”, и конференция впервые прошла на площадке Точки кипения Новосибирского Технопарка. В начале декабря прошла четвертая Школа молодых ученых “Актуальные проблемы полупроводниковых наносистем”, школа пользуется успехом у молодых исследователей. ИФП СО РАН выступил организатором (вместе с ИЛФ СО РАН, ИАиЭ СО РАН, НГУ) конференции “Физика ультрахолодных атомов”, которая в этом году базировалась в Институте лазерной физики СО РАН».

Александр Латышев рассказал и о публикационной активности сотрудников ИФП СО РАН, получении ими наград и почетных званий, о появлении новых молодежных лабораторий. В уходящем году статьи специалистов ИФП СО РАН вышли в таких высокорейтинговых журналах, как Advanced Functional Materials, Physical Review Letters, Applied Surface Science, ACS Photonics: «Заведующий лабораторией физики низкоразмерных электронных систем доктор физико-математических наук Дмитрий Харитонович Квон избран членом-корреспондентом РАН, четверо молодых ученых стали обладателями почетных нагрудных знаков Министерства науки и высшего образования России, двое исследователей ИФП СО РАН удостоены благодарности Министерства. В этом году в ИФП СО РАН появились две молодежные лаборатории, молодые сотрудники Института стали получателями президентских стипендий, премии имени выдающихся ученых Сибирского отделения РАН, руководителями грантов Российского научного фонда, Президента РФ», — добавил директор ИФП СО РАН..

От дел земных к делам космическим

Заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН академик РАН Александр Евгеньевич Бондарь рассказал о сенсационных результатах работы знаменитого телескопа «Джеймс Уэбб», который был запущен год назад и начал производить новую научную «продукцию» этим летом. «Джеймс Уэбб» — инфракрасный телескоп, его задача – изучение источников света на максимально больших расстояниях. Основной прибор, который используется в этом телескопе — две фоточувствительных в инфракрасном диапазоне матрицы (в основе которых полупроводниковое соединение теллурид кадмия ртути). За 30 лет телескоп «Хаббл» (предшественник «Джеймса Уэбба») увидел только один источник (галактику) с Z масштаба 10. Z — это космологический фактор, характеристика красного смещения, по которому можно оценить расстояние до очень далекого объекта. «Джеймс Уэбб» за несколько месяцев работы обнаружил больше десятка таких источников — галактик, появившихся примерно через 100 млн лет после Большого взрыва.

«В стандартной космологической модели считается, что после Большого взрыва все вещество распределено исключительно однородно, а за счет гравитационной неустойчивости возникают сгустки вещества, из которых в дальнейшем образуются галактики, звезды и т.д. Все современные данные моделирования показывали, что для этого нужно время в несколько миллиардов лет. А «Джеймс Уэбб» “видит” большое количество галактик уже на масштабах – 200-300 млн лет, причем эти галактики не маленькие, они достигают десятков миллиардов солнечных масс. По этому поводу сейчас намечается некоторый кризис космологии (возможно, предстоит пересматривать стандартную модель). Один из возможных вариантов решения этой проблемы — первичные черные дыры, которые могут играть роль зародышей конденсации материи для раннего образования первых галактик и первых звезд», — констатировал Александр Бондарь.

Как сворачиваются белки?

Заведующий лабораторией ИХКиГ СО РАН доктор физико-математических наук, профессор Сергей Андреевич Дзюба привлек внимание слушателей к двум научным проблемам: эффекту памяти формы у металлов и возможной связи этого явления с механизмом фолдинга (укладки) белка.

«Белок синтезируется в клетке первоначально в виде линейной структуры, а потом складывается, в строго определенную структуру. Откуда белок знает, как ему складываться? Эта проблема пока не решена, и имеет большое практическое значение: при нарушениях складывания белка возникают болезни. Аналогичный эффект памяти формы есть и у металлов. Например, нитинол (соединение титана и никеля) обладает свойством памяти формы. Если взять деталь из нитинола сложной формы, подвергнуть нагреву до красного каления — деталь “запомнит” форму, при которой была нагрета. После остывания до комнатной температуры, деталь можно деформировать как угодно, а затем поместить ее в горячую воду — исходная форма вернется почти мгновенно. Эффект памяти формы — чисто физический эффект. Пока неизвестно, с чем связан эффект на макроуровне, и есть ли связь с механизмом складывания белка в биологии. Такие две вещи заинтересовали меня в этом году», — подчеркнул Сергей Дзюба.

Земля весит 6 роннаграммов

Старший научный сотрудник лаборатории физических основ материаловедения кремния ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Дамир Ревинирович Исламов рассказал о том, что Земля весит теперь 6 роннаграммов, а в 2026 году нас ждет переопределение секунды.

«Земля уже полтора месяца весит 6 роннаграммов. Почему? Все началось на 27-й Генеральной конференции по мерам и весам, в ноябре 2022 года. Было решено добавить в список префиксов СИ новые префиксы, которые должны использоваться для кратных и дольных единиц. Для множителей 10 в 27 степени и 10 в минус 27 предложены имена ronna (ронна) и ronto (ронто). А для 10 в 30 степени и 10 в минус 30 — quetta (кветта) и quecto (квекто)».

Как сказано в резолюции конференции, добавление новых префиксов произошло из-за «потребности науки о данных в ближайшем будущем для выражения количества цифровой информации с использованием порядков, превышающих 10 в 24 степени» — по сути, из-за растущего объема цифровой информации, который нужно как-то описывать.

Также Дамир отметил, что на конференции было решено переопределить секунду. «В большинстве научных лабораторий, которые занимаются оптическими исследованиями, проводились эксперименты, позволяющие определить секунду в 100 раз точнее, чем существующие сейчас определения. Поэтому было постановлено: на 28-й Генеральной конференции по мерам и весам (в ноябре 2026 года) переопределить секунду, с учетом всех современных реалий и достижений физики твердого тела и оптики.

А пока мы будем жить по старой секунде!», — подвел итог Дамир Исламов

Устойчивость белых медведей на льду

О необычной коллаборации в области исследования особенностей медвежьих лап участники семинара узнали из доклада научного сотрудника лаборатории ближнепольной оптической спектроскопии и наносенсорики Нина Николаевна Курусь.

«Два американских исследователя решили сотрудничать: хотя их области научных интересов были разными. Один ученый занимался скольжением, льдом и снегом, другой — трением и гекконами. Геккона на снег они положить не могли, поэтому решили исследовать рельеф поверхности медвежьей лапы. Ученых интересовало, почему белым медведям удается прочно стоять на льду и не скользить, хотя их лапа меньше, чем у остальных видов медведей. Для сравнения рельефа поверхности лап различных видов медведей, ученые использовали метод сканирующей электронной микроскопии, профилометрию, 3D печать и моделирование.

Выяснилось, что у всех медведей, кроме малайского, на подушечках лап есть небольшие выступы — папиллы, а у белого медведя папиллы самые длинные. Ученые предположили, что с этим связана устойчивость медведя на льду. После проведения экспериментов было установлено, что при большой длине папилл и их маленьком диаметре (когда папиллы острые), медведи скользят меньше всего. Выводы исследования интуитивно понятны: чем длиннее папиллы на лапах медведя, тем выше трение; папиллы на лапах белых медведей как минимум в 1,5 раза длиннее, чем у американского черного медведя; белый медведь в 1,5 раза более устойчив на льду по сравнению с бурым и черным медведями».

Нина отметила, что работа по исследованию устойчивости белых медведей на льду финансировалась компанией Goodeyar, которая производит автомобильные шины. Это хороший пример того, что самые неожиданные темы исследований могут найти своего заказчика.

Волшебство скрипки Страдивари

О попытках ученых раскрыть секрет звучания скрипок Страдивари рассказал заместитель директора ИФП СО РАН по научной работе, заведующий лабораторией лаборатории ближнепольной оптической спектроскопии и наносенсорики доктор физико-математических наук Александр Германович Милёхин: «Масса людей пытались и пытаются понять тайну волшебного звучания скрипки. Некоторые даже говорили, что мастер продал душу дьяволу. Исследователи из города Кремона использовали возможности инфракрасной ближнепольной спектроскопии для изучения образцов, взятых с двух скрипок, изготовленных с интервалом почти в 30 лет.

Ученые изучили спектры ближнепольной ИК–спектроскопии и обнаружили похожие моды в обоих образцах, и связали их с присутствием белков-амидов. Тонкий слой белков находится на границе между деревом скрипки и покрывающим его лаком. Основной вывод научной работы: “Результаты [работы] стимулируют дальнейшее использование метода нано-ИК спектроскопии для исследования малых сложных образцов культурного наследия”».

Можно предположить, что именно с наличием слоя белков связано прекрасное звучание скрипок. Однако специалисты лаборатории ближнепольной оптической спектроскопии и наносенсорики ИФП СО РАН провели аналогичную работу с образцами (небольшими фрагментами) музыкального инструмента — домры, изготовленной в Удмуртии на Ижевском заводе в 1980 году.

«Мы записали спектры микрокомбинационного рассеяния света, и обнаружили моды комбинационного рассеяния света. А когда начали интерпретировать — [определили] те же самые амиды. Скрипка Страдивари отсутствует, а амиды — есть. Соответственно, наш вывод — результаты работы стимулируют дальнейшее развития метода для анализа сложных образцов культурного наследия. Мы подтверждаем вывод исследователей из Кремоны», — иронично заключил А.Г. Милёхин.

Гибкая электроника: новые подходы

Заведующий лабораторией аммиачной молекулярно-лучевой эпитаксии GaN гетероструктур на подложках кремния для силовых и СВЧ-транзисторов кандидат физико-математических наук Денис Сергеевич Милахин рассказал о гибких и растягиваемых транзисторах c высокой подвижностью электронов на основе AlGaN/GaN.

«Яркая работа китайских коллег была опубликована в ACS Nano: они смогли создать, а затем перенести массив нитрид-галлиевых транзисторов с кремниевой подложки на гибкую медную подложку. Идея формирования именно нитридных транзисторов для гибкой электроники интересна тем, что двумерный газ в нитридных транзисторах появляется в результате пьезоэлектрических эффектов и спонтанной поляризации. При изгибе различных устройств, добавляется пьезоэффект, который может усиливать двумерный газ. Но поскольку все нитриды производятся на твердотельных подложках, интересен перенос на гибкую медную подложку. Такое изготовление происходит в несколько этапов — с переносом на промежуточную подложку и последующим удалением первичной подложки путем травления или механической шлифовки».

По словам Дениса, другая группа ученых пошла дальше — они сделали растягивающийся транзистор с помощью «серпантинных» контактов, но пока характеристики этого транзистора не слишком хороши и представляют поле для дальнейшего развития.

Громкое научное «закрытие»

Артём Рустамович Нурисламов, сотрудник Института цитологии и генетики СО РАН поделился почти детективным сюжетом, связанным с исследованиями причин болезни Альцгеймера: «Болезнь Альцгеймера — нейродегенеративное заболевание, которое обычно провоцируются накоплением амилоидных бляшек и, по другой гипотезе, формированием бляшек из тау-белков. В конце концов, это приводит к дегенерации миелиновой оболочки нейронов и нарушению соматических связей, и в итоге — к проблемам с памятью».

В 2006 году вышла прорывная статья, которая, казалось бы, подтверждала гипотезу амилоидного каскада и связанные нейродегенеративные изменения при болезни Альцгеймера.

«У статьи более 2000 цитирований. Это такой фундамент амилоидной гипотезы. Автор статьи (в то время PhD студент) Сильвен Лесне сразу после публикации получил много грантов, открыл свою лабораторию, приобрел мировую известность. С момента публикации его работы, начали выделяться огромные средства на исследования амилоидного каскада (только в США, с 2006 года – выделено больше 2 млрд долларов)».

Эти огромные средства вкладывались в разработку препаратов, но, как пояснил Артём, большая часть лекарств, направленных на разрушение амилоидов не работает: «В этом году было проведено расследование фармкомпанией Cassava Sciences. Ниточки полугодового расследования привели к Сильвену Лесне: оказалось, что в оригинальной статье 2006 года, он сфальсифицировал свои результаты. Сейчас на каждой статье Лесне (включая опубликованные в Nature и Science), присутствуют предупреждения: “Редакция выражает озабоченность результатами этого исследования”».

Последствия «закрытия» пока неочевидны. «Кто-то говорит, что это полный провал: гипотеза амилоидного каскада полностью опровергнута, а кто-то видит положительные стороны — стали выделять больше денег на исследования причин болезни Альцгеймера, и возможно это будет способствовать развитию направления», — подытожил Артём Нурисламов.

Живой или мертвый?

О достижениях биологов говорил аспирант Новосибирского государственного университета, сотрудник ИЦиГ СО РАН Никита Юрьевич Торгунаков. На этот раз ученые вторглись в царство Аида — «оживили» свинью (и опубликовали статью в Nature).

«Возможность “оживить” тело свиньи продемонстрировали ученые. Что они сделали? Подключили животное к системе с особым раствором, содержащим гепарин, другие вещества, в том числе, предотвращающие клеточную смерть. Кроме того раствор был похож на кровь — переносил кислород, также в системе было подобие сердца и легких, почек, мозга. Раствор подавался с пульсацией, которая имитировала естественный кровоток, под контролем артериального давления, с частотой пульса. И свинья действительно демонстрировала живущие ткани — сохранялась их целостность, уменьшалась гибель клеток, и восстанавливались отдельные молекулярные и клеточные процессы во многих жизненно важных органах», — отметил Никита Торгунаков.

По словам ученого, в перспективе это исследование может позволить реанимировать жертв остановившегося сердца или улучшить процесс получения органов для трансплантации.

Никита подчеркнул, что из этических соображений исследователи вводили в раствор вещества, подавляющие активность нейронов мозга свиньи. Отдельные клетки активировались, чтобы показать активность мозга, но целостная мозговая активность не возвращалась.

«Это исследование ценно не только тем, что здесь сделано значимое открытие, но и тем, что оно выводит нас на проблему в будущем: “Когда мы научимся полноценно возвращать тела живых существ к жизни, как изменятся наши границы смерти? Отношение к ней, ритуалы, законы, охраняющие жизнь?”», — предложил задуматься ученый.

Положительный термояд

Ведущий научный сотрудник лаборатории теоретической физики ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Матвей Вульфович Энтин познакомил слушателей семинара с недавним достижением ученых Национального комплекса зажигания (NIF) Ливерморской лаборатории США. Им удалось впервые потратить на разогрев топлива меньше энергии, чем выделилось в ходе термоядерной реакции.

«Они произвели три мегаджоуля, послав на мишень два мегаджоуля. Мишень — это золотой цилиндр с алмазным “ядром” — хольраумом, внутри которого маленький “кусочек” дейтерия-трития, размером с перчинку. Схема термоядерной реакции напоминает устройство водородной бомбы — начинается все с имплозии — сжатия золотого окружения: на него светят 192 лазера (каждый лазер вместе с усилителями имеет длину около километра). Цилиндрик так разогревается, что порождает рентгеновское излучение, которое обжимает хольраум, и он передает давление на “перчинку” дейтерия-трития. Степень сжатия крайне высока: в сто раз изменяется объем».

В результате, изотопы водорода разогреваются до состояния высокотемпературной плазмы, находящейся под высоким давлением, и происходит термоядерная реакция.

«Конечно, в целом, это пока не положительный КПД, потому что для накачки лазеров нужна, минимум, в сотни раз большая энергия, чем выделяется на мишени. Но рано или поздно термояд придет», — резюмировал Матвей Энтин.

Надежда Дмитриева, пресс-служба ИФП СО РАН
Фото В. Трифутина и из презентаций докладчиков, автор новогоднего фото Виктор Яковлев