Инженерные науки: светящиеся голограммы, разработанные в Университете ИТМО
В области инженерных наук лучшей была признана разработка люминесцентных наноструктур, которые можно использовать для производства светящихся голографических покрытий с повышенным уровнем защиты. Такие чернила для печати голограмм были получены способом, позволяющим добиться значительной устойчивости структур и сохранить высокие оптические характеристики наночастиц. Сегодня защитные голограммы используются повсеместно, поэтому необходимо повышать их качество и стабильность, что и стало возможно благодаря исследованиям ученых Университета ИТМО. Для защиты голограмм ученые использовали наночастицы диоксида циркония, допированного европием, таким образом, чтобы они были применимы для струйной печати. Подробнее о разработке можно прочитать в материале ITMO.NEWS.
«Мы занимаемся исследованиями применения общедоступной технологии струйной печати для нанолитографии, в частности, для получения оптических наноструктур. Это направление в науке имеет большой резонанс для широкого круга исследователей как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. Более того, технологию можно отнести к разряду “понятной” для широкой общественности, что позволяет быстро реализовывать ее на практике. Сейчас идет международная сертификация разработанных чернил с последующей продажей небольшим заинтересованным компаниям», – прокомментировал директор химико–биологического кластера Университета ИТМО Александр Виноградов.
Он отметил, что не менее 80% сотрудников лабораторий химико–биологического кластера – это студенты, поэтому научная работа чаще всего строится над практикоориентированными исследованиями. В прошлом году сотрудники лаборатории выполнили НИОКР для заказчика из Израиля и надеятся, что в этом году партнерство продолжится.
Сотрудник лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Александра Фурасова, которая работала над созданием чернил, подчеркнула, что превосходство этой исследовательской работы именно в том, что ученые практически сразу получили готовый продукт – защищающие голографию люминесцентные чернила прямо в колбе.
Сами чернила состоят из прозрачных наночастиц оксида циркония – одного из самых механически прочных веществ в мире. Даже при температуре выше двух тысяч градусов эти частицы останутся в кристаллическом состоянии. Ученые поместили в эти наночастицы люминесцентные ионы, которые не будут выгорать со временем и даже после воздействия очень высоких температур. Ни один вид других люминесцентных наночастиц не может быть более стабилен во времени и при таких высоких температурах.
«Чернила, которые мы получили из этих наночастиц, могут быть стабильны и в органических растворителях, и в воде, что бывает крайне редко, ведь изменение типа растворителя, как правило, требует дополнительной модификации поверхности частиц. Это, разумеется, поднимает стоимость существующих аналогов – других люминесцентных частиц. Возможно, именно простота изготовления и универсальность чернил в совокупности с физическими свойствами самих частиц позволили выделить эту работу среди других», – прокомментировала она.
Физика: новые шаги к квантовым вычислениям
Физики МФТИ и Королевского колледжа Холлоуэй (Royal Holloway, Англия) впервые смешали классические и квантовые состояния света на сверхпроводящем кубите в виде искусственного атома. Ученые изучали взаимодействие такого кубита с частицами света под определенным излучением. В итоге они смогли зафиксировать как исходное излучение, так и электромагнитные волны, получившиеся в результате взаимодействия. Полученное излучение потенциально можно использовать для передачи информации о квантовых состояниях и, соответственно, для создания квантовых компьютеров.
«Важность исследования на мой взгляд, прежде всего в том, что впервые был продемонстрирован процесс нелинейного четырехволнового смешивания для квантованных полей, то есть оптического поля, представляющего собой суперпозицию состояний с небольшим (ноль или единица) числом фотонов. Во–первых, интересно, что в этом случае спектры рассеянного излучения существенно отличаются от предсказаний классической электродинамики, то есть можно напрямую наблюдать квантовые эффекты. Во–вторых, интересно, что такой процесс (четырехволновое смешивание квантовых оптических состояний) ранее совсем не наблюдался (по крайней мере, так утверждают авторы). Это связано с тем, что микроволновая технология допускает прецезионное излучение и детектирование амплитуды и фазы слабых электромагнитных импульсов, которое недостижимо в оптических системах», – прокомментировал Иван Иорш, руководитель международной научной лаборатории фотопроцессов в мезоскопических системах, научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов.
Квантовые системы, использующие связь сверхпроводящих кубитов с микроволновым излучением, отмечает ученый, могут иметь много практических применений, так как допускают такой уровень прецезионного управления состоянием изолированных квантовых систем при помощи когерентного электромагнитного излучения, которого в других системах пока добиться не удалось.
Сельское хозяйство: безвирусные растения
Научные сотрудники Никитского ботанического сада Национального научного центра РАН создают растения, устойчивые к вирусам. Для этого они высаживают на особую питательную среду верхушки побегов растений – меристему, которая является наиболее активно растущей частью побега. В питательной среде есть специальные вещества, которые борются с вирусами. Для каждого вида растения состав этой среды особенный. Таким образом, ученые получают полностью безвирусную меристему, из которой потом развиваются здоровые растения.
Крымские ученые получают безвирусные растения, используя явление антагонизма, то есть искусственное заражение слабопатогенными штаммами вироида способствует проявлению повышенной устойчивости к последующему заражению другим вирусом. Чаще всего перекрестная устойчивость возникает между родственными вирусами, относящимися к одной группе. В настоящее время известно около 1200 различных вирусов культурных растений.
«Длительность сохранения такой устойчивости трудно предсказать, ибо она зависит от способности патогенов преодолевать новый тип устойчивости. Кроме того, вирусы благодаря особенностям своего метаболизма занимают наивысшую ступень в эволюции паразитизма. Совсем не изученной областью являются возможные направления эволюции патогенов на фоне взаимодействия с устойчивыми к ним растениями. Современная концепция защиты от болезней заключается не в уничтожении вредных организмов полностью, а в регулировании их численности до хозяйственно неощутимого уровня», – пояснила Елена Кипрушкина, заведующая кафедрой технологии мясных, рыбных продуктов и консервирования холодом.
Биология: исследования адаптации клеток и шаги на пути их «перепрограммирования» в случае болезни
Ученые из МГУ и Института биологии гена РАН вместе с австрийскими и американскими коллегами разработали новый метод анализа укладки генома в индивидуальных клетках. От укладки ДНК зависят очень многие свойства клеток, в том числе это влияет на их функциональность, способность адаптироваться к меняющимся условиям и другие характеристики. Исследования в этой области важны, так как потенциально позволяют выяснить, как в клетках появляются те или иные сбои – например, как возникают раковые клетки.
Российские ученые выяснили, что укладка геномной ДНК в материнском ядре в оплодотворенной яйцеклетке – зиготе – принципиально отличается от укладки генома в ядрах любого другого типа клеток. В ядрах всех прочих исследованных клеточных типов активные и «молчащие» области генома пространственно обособлены друг от друга. В материнском ядре этого не наблюдается. Исследователи предположили, что конфигурация генома в материнском ядре является наиболее базовой, соответствующей так называемому состоянию тотипотентности, позволяющему в ходе эмбрионального развития из одной зиготы получить множество разных клеточных типов взрослого организма.
«Изучение тотипотентности и связывание этого явления с архитектурой укладки хромосом в клетке – очень многообещающее на данный момент направление. Действительно, “укладка хромосом” позволяет работать одним генам и “выключает” другие. Меняя эту укладку или изучая ее архитектурные закономерности, теоретически возможно добиться новых функций клетки. Однако сейчас наука познала лишь азы этих закономерностей, и требуются еще годы работ, чтобы перепрограммировать конкретную клетку в заданном направлении», – прокомментировал Илья Духовлинов, директор по науке компании–резидента Технопарка Университета ИТМО «АТГ Сервис Ген».
По мнению Ильи Духовлинова, проще будет перепрограммировать клетку на начальном уровне развития. У зрелых клеток начинают действовать дополнительные факторы метаболизма, пространственной организации самой клетки в тканях, – возможны технические сложности.
«Тем не менее, идти в этом направлении нужно. Потому что это позволит действительно решить многие вопросы человеческих заболеваний, когда функция клетки нарушена. Известны случаи, когда опухолевые клетки превращаются в нормальные. Это описано в научной литературе. Но таких случаев мало. Каковы здесь механизмы, как на это повлиять – ключ наверняка лежит в области реорганизации хроматина», – добавил он.
Компания «АТГ Сервис Ген» работает на фармацевтическом рынке и занимается разработкой технологии генной кодировки белков, ответственных за терапевтические процессы в организме. С помощью этой методики в клетки человека вводят гены, которые кодируют белки. Так, в компании «АТГ Сервис Ген» было обнаружено, что введение генов в составе плазмидных ДНК с дополнительными регуляторными элементами вызывает реорганизацию хроматина в зрелых клетках, добавил Илья Духовлинов. Это позволяет менять или усиливать функции клеток, но пока только «простые» однофакторные функции. Функции, имеющие многоуровневую реализацию, сейчас пока не полностью поддаются коррекции.
Химия: ученые поняли, как светятся грибы
Группа ученых из нескольких российских научно–исследовательских институтов совместно с зарубежными коллегами смогли понять, как происходит биолюминесцентная реакция у некоторых видов грибов, иными словами, за счет чего они светятся. Было известно, что само выделение света происходит благодаря молекуле люциферина.
«В этом исследовании изучали именно то, за счет чего происходит биолюминесценция: какой цикл проходит молекула, чтобы поддерживать свечение, и какие еще молекулы в этот процесс вовлечены, а также что образуется после. То есть работа заключается в изучении биокатализа. Вторая часть работы не менее важна и заключается в том, что если изменить радикал (часть молекулы) люциферина, то можно изменить цвет свечения. Так они определили, какие радикалы, встречающиеся в биомолекулах грибов, отвечают за определенный цвет свечения грибов и, более того, синтезировали аналоги люциферина с другими радикалами, способные испускать люминесценцию по такому же химическому циклу, как и природные аналоги, но могут светиться в другом световом диапазоне», – прокомментировала Александра Фурасова, сотрудник лаборатории Университета ИТМО.
Все это может быть использовано в экологии для наблюдения за качеством окружающей среды или в медицине для проведения клинических анализов и поиска лекарств, отмечается на сайте РНФ.
Другие выделенные исследования
Также РНФ выделил другие многообещающие исследований за 2017 год. В области математики в топ попала разработка 3D–модели, которая описывает поведение нейронов. Еще одно исследование в области биологии помогло выяснить, благодаря каким генам мозг человека так сильно отличается от мозга шимпанзе. А благодаря экспериментам с мышами медикам из РАН удалось лучше понять, как во время депрессии меняется экспрессия определенных генов. В области наук о Земле лучшим было признано исследование подводной мерзлоты на Восточно–Сибирском арктическом шельфе, а в области гуманитарных наук – генетическое исследование представителей скифских культур Евразии.
