Шведская королевская академия наук разделила Нобелевскую премию по химии за 2024 год между Дэвидом Бейкером (David Baker) из Университета Вашингтона и Демисом Хассабисом (Demis Hassabis) и Джоном Джампером (John Jumper) из Google Deep Mind за создание машинных алгоритмов по предсказанию структуры белков. Поскольку оба достижения направлены на изучение белков — кирпичиков биологической жизни на Земле — эта работа учёных бесценна.

Источник изображения: nobelprize.org

Машинное обучение и искусственный интеллект снова отметились престижной наградой. Вчера стало известно о нобелевских лауреатах по физике за 2024 год, которыми стали создатели нейросетей и алгоритмов. Произошло это не вдруг. Массовое понимание перспектив машинного обучения было взбудоражено чуть более года назад множественными образцами «нейроарта». И теперь многие осознали, насколько это может быть захватывающе и полезно.

Демис Хассабис и Джон Джампер с коллегами из Deep Mind представили платформу AlphaFold широкой общественности в 2018 году. С тех пор вышло несколько версий программы вплоть до третьей в мае этого года. До появления AlphaFold биологи и химики фактически вручную прогнозировали объёмные структуры белков. Все они состоят примерно из двух десятков аминокислот. В зависимости от последовательностей соединений итоговый белок примет в пространстве ту или иную уникальную конфигурацию.

Белок будет полезным, если его форма подойдёт как ключ к замку к тому или иному соединению, живой клетке или её элементу. Тогда он сможет присоединиться и прореагировать. Это позволяет открывать новые лекарства, ферменты и многое другое в биологии и химии. Но предсказать 3D-форму новых белков среди сотен миллионов вариантов — это непосильная для человеческого ума задача. Программа AlphaFold играючи предсказала пространственную форму всех уже известных науке 200 млн белков и готова предсказывать форму не существующих в природе соединения аминокислот.

Дэвид Бейкер делал эту работу за многие годы до появления AlphaFold. Он создал абсолютно новый и ни на что не похожий белок ещё в 2003 году, чем также заслужил признание со стороны Комитета нобелевской премии. В этом году награда нашла героев. Необычным, полезным и жизненно важным белкам — быть.

Учёные из Сколтеха и их китайские коллеги опубликовали в престижном журнале Physical Review B работу, в которой обосновали существование в недрах Урана и Нептуна экзотической молекулы акводия (aquodiium). Это молекула воды с двумя «лишними» протонами, которая стабильна лишь при высочайших температурах и давлении. Наличие акводия в недрах далёких планет теоретически объясняет их странные магнитные поля, отличающиеся от магнитного поля Земли.

Изображение Урана, полученное «Джеймсом Уэббом». Источник изображения: NASA, ESA, CSA, STScI

Магнитные поля Земли, Сатурна и Юпитера порождаются электропроводящими слоями в недрах планет. В случае Земли это циркуляция железоникелевого сплава, а у газовых гигантов — циркуляция металлического водорода на больших глубинах. Во всех трёх случаях присутствует электронная проводимость, порождающая магнетизм. Что касается магнитных полей Урана и Нептуна, то в их случае, подозревают учёные, работает ионная проводимость или, проще говоря, электрический заряд переносят атомы или даже молекулы. Всё это может быть частью ответа на загадку, почему магнитные поля у ледяных гигантов сильно отклонены от их осей вращения и исходят не из их центров.

Один из авторов исследования, профессор Сколтеха Артём Оганов, пояснил различие между двумя типами проводимости и вовлечение в процесс нового иона: «В условиях, которые существуют в недрах Юпитера, водород становится жидким металлом, его электропроводность обусловлена наличием свободных электронов, которые все атомы водорода сбрасывают „в общий котёл“ при столь сильном сжатии. А в Уране, как мы предполагаем, сами ионы водорода, то есть протоны, переносят заряд. При этом совершенно не обязательно в форме свободных ионов H⁺, а, например, в виде гидроксония H₃O⁺, аммония NH₄⁺ и ряда других ионов. Наше исследование дополняет этот ряд ионом H₄O²⁺, химия которого представляет большой интерес».

Вода в обычных условиях — это атом кислорода, у которого на внешней электронной оболочке есть две укомплектованные электронные пары в добавок к двум одиночным валентным электронам, к которым присоединены по одному атому водорода (H₂O). Когда к одной из электронных пар присоединяется протон водорода (атом водорода без собственного электрона), возникает ион гидроксония (H₃O⁺). В самых экстремальных условиях, когда температура и давление запредельные, вторая электронная пара кислорода также может присоединить протон, что даёт экзотический ион акводий (H₄O²⁺).

Авторы исследования использовали самые современные методы моделирования, чтобы понять, как вода и плавиковая кислота поведут себя в экстремальных условиях. При давлении порядка 1,5 млн атмосфер и температуре 3 тыс. градусов Цельсия в симуляции стали чётко различимы ионы акводия H₄O²⁺.

Молекула воды и её ионы

Открытый таким образом новый ион способен влиять на поведение и свойства водных сред, а именно кислых сред под большим давлением. Это примерно те условия, которых можно было бы ожидать от Урана и Нептуна, где немыслимая толща водного океана оказывает колоссальное давление на глубинные слои вещества в присутствии кислот. А значит, там должен образовываться акводий, который будет циркулировать вместе с другими ионами и делать свой вклад в магнитные поля этих планет. Более того, в присутствии этого иона там могут формироваться неизвестные на Земле минералы с невообразимыми свойствами.

Методы супрамолекулярной химии позволяют создавать причудливые молекулярные связи из сложных молекул. Только настройка реакций для синтеза сложна и непредсказуема. Однако в случае удачи можно добиться невероятного результата, который, например, получила группа химиков из Великобритании и Китая, создавшая первую в своём роде молекулу для эффективного поглощения парниковых газов и не только.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Свою молекулу учёные из Университета Хериот-Ватт в Эдинбурге назвали «клеткой из клеток». Это своего рода каркас из каркаса, сборка которого происходит сама собой в ходе серии последовательных химических реакций. Сначала собираются молекулы, по виду напоминающие призмы, а затем эти «призмы» собираются в тетраэдры. Получается глубоко пористый материал, молекулы которого способны организовывать устойчивые связи с молекулами углекислого газа и, в принципе, с другими летучими органическими соединениями.

Например, новый материал показал способность абсорбировать «запах» синтетики от новых вещей, что предотвратит появление не всем приятных запахов от нового салона автомобиля или телевизора. Но больше всего учёных поразила способность синтезированной молекулы поглощать гексафторид серы (SF₆). Этого парникового газа сравнительно мало в атмосфере, но он способен накапливаться где угодно и сохраняться там свыше 3 тыс. лет. За 100 лет, например, парниковый эффект от SF₆ будет в 23 500 раз сильнее, чем от выбросов CO₂.

Источник изображения: Nature Synthesis

«Это захватывающее открытие, — поясняют учёные, — потому что нам нужны новые пористые материалы, которые помогут решить самые большие проблемы общества, такие как улавливание и хранение парниковых газов».

Синтезированная молекула, что важно, не боится влаги, что позволит новому материалу абсорбировать парниковые газы непосредственно из промышленных выбросов, часто представляющих собой водяной пар или стоки. Открытое вещество хорошо показало себя в лаборатории, но когда оно выйдет на простор коммерческого использования — это отдельный и не до конца понятный вопрос, а полный текст статьи в журнале Nature Synthesis можно найти по ссылке.

Золото как отличный и стойкий к агрессивным средам проводник давно снискал популярность у производителей чипов и электроники. Недавно учёные смогли открыть в нём новую и неожиданную грань, которая добавит популярности этому металлу — они научились превращать его в полупроводник. К этому открытию привела череда случайностей, но чтобы добиться нужного результата потребовалось много лет.

Источник изображения: DALL-E/newatlas.com

Если кратко, с помощью ряда химических процессов удалось создать устойчивый атомарно тонкий слой чистого золота. По аналогии с графеном его назвали «goldene» (златен?). Атомы золота в атомарно тонком слое оставляют по две свободных связи, что даёт возможность придать материалу свойства между проводником и изолятором. Химическая промышленность также будет рада такому материалу, а фразу «ваши транзисторы просто золотые» можно будет воспринимать буквально.

«Если вы сделаете материал чрезвычайно тонким, произойдет нечто экстраординарное — как с графеном, — пояснил учёный-материаловед Шун Кашивайя (Shun Kashiwaya) из Линчёпингского университета в Швеции (Linköpings universitet, LiU). — То же самое происходит и с золотом. Как вы знаете, золото обычно является металлом, но при толщине слоя в один атом золото может превратиться в полупроводник».

Открытие в какой-то мере сделано случайно. Исследователи работали с таким материалом, как карбид титана кремний Ti₃SiC₂. Это перспективная электропроводная керамика с очень тонким слоем кремния. Учёные попытались нанести золотой контакт на материал, но в итоге под воздействием высокой температуры атомы золота заместили в материале атомы кремния. Произошло это несколько лет назад, и только годы спустя учёные научились химическим способом удалять из материала также титан и углерод, оставляя лишь атомарно тонкий слой золота.

Синие точки — атомы титана, чёрные — углерода, жёлтые — золота. Источник изображения: Nature Synthesis 2024

Решение нашлось в древнем рецепте японских кузнецов, которые с помощью специального раствора — реагента Муроками — вытравливали узоры на клинках (попутно вытравливая в металле углерод). Подбирая соотношение химических веществ и варьируя время травления удалось подобрать условия для полного растворения титана и углерода из золотой заготовки. Оказалось также, что травление должно происходить в полной темноте, поскольку на свету образовывались соединения, разъедающие золото.

Для предотвращения скручивания столь тонкого листа золота и образования комков учёные добавили к материалу поверхностно-активное вещество. Анализ показал, что в итоге получилось стабильное золото атомарно тонкой толщины, которое теперь возьмут в разработку электронщики, химики и специалисты по материалам.

Нобелевская премия по химии в 2023 году присуждена учёным из США Мунги Бавенди (Moungi G. Bawendi), Луису Брюсу (Louis E. Brus) и выходцу из СССР Алексею Екимову за открытие и разработку квантовых точек — наночастиц настолько малых, что их свойства определяются размерами.

Мунги Бавенди, Луис Брюс, Алексей Екимов (слева направо). Источник изображения: nobelprize.org

Квантовые точки, которые в Шведской королевской академии наук охарактеризовали как «мельчайшие компоненты нанотехнологий», — это полупроводниковые частицы размером в несколько нанометров. При возбуждении они способны к флуоресценции в широком диапазоне спектра. В силу небольшого размера этих точек их оптические свойства определяются квантовыми эффектами. Преимуществами квантовых точек являются яркость и высокая фотостабильность, то есть они не «выгорают» как флуоресцентные красители.

Квантовые точки используются в мониторах и телевизорах — они способствуют повышению качества изображения. Эти элементы применяются при производстве светодиодных ламп и в молекулярной медицине. Они также могут использоваться при создании нейросетей и квантовых компьютеров.

Алексей Екимов родился в СССР в 1945 году и окончил физический факультет Ленинградского государственного университета. В 1981 году он впервые получил квантовые точки из хлорида меди, будучи сотрудником Государственного оптического института имени Вавилова в Ленинграде. Он продемонстрировал, что излучаемый ими цвет зависит от их размера из-за квантовых эффектов. Уже долгое время господин Екимов является сотрудником американской компании Nanocrystals Technology.

Луис Брюс родился в США в 1943 году. В 1983 году он впервые получил коллоидный раствор квантовых точек. Мунги Бавенди родился во Франции в 1961 году. В 1993 году ему удалось усовершенствовать химическое производство квантовых точек и получить почти идеальные частицы. Учёный разработал технологию синтеза монодисперсных растворов квантовых точек заданного размера.

Власти Японии уже давно выражают озабоченность по поводу утраты нацией статуса одного из лидеров полупроводниковой отрасли, хотя ряд специфических компетенций японским производителям в этой сфере удалось сохранить с девяностых годов прошлого века. Трио местных поставщиков контролирует почти весь мировой рынок химикатов, необходимых для выпуска полупроводниковых компонентов, и один из них к декабрю перейдёт под государственный контроль.

Источник изображения: Asahi Shimbun

К счастью для акционеров национализируемой компании JSR, произойдёт такая смена владельца с адекватной выгодой, поскольку существующим акционерам будет выплачено по $30,40 за акцию, а вся сделка обойдётся японским налогоплательщикам в $6,3 млрд. Новости вызвали рост курса акций JSR на 22 %, а котировки акций конкурирующих компаний Shin-Etsu Chemical и Tokyo Ohka Kogyo выросли на 1,5 и 9,1 % соответственно. В последнем случае акции вообще обновили исторический максимум.

Получая контроль над крупнейшим поставщиком фторированного полиимида и фторида водорода, японские власти в какой-то степени обеспечивают защиту от поглощения компании инвесторами из недружественных стран, самой мотивированной из которых остаётся КНР. Кроме того, в статусе частной компании в государственным участием JSR сможет принимать на себя более серьёзные долгосрочные риски с точки зрения инвестиций. Инвесторы на фондовом рынке после этого прецедента стали внимательнее присматриваться к компаниям полупроводникового сектора, рассчитывая на повторение подобных сделок в отрасли.

Любое электронное устройство с аккумуляторной батареей постепенно разряжается, даже будучи полностью выключенным. Как оказалось, одна из причин тому — удивительный и весьма распространённый производственный дефект, выявленный исследователями из канадского Галифакса.

Источник изображения: Kamil S/unsplash.com

По словам доцента Университета Далхаузи Майкла Метцгера (Michael Metzger), речь идёт о совершенно неожиданном явлении, о котором никто не мог бы подумать. Проблема заключается в использовании крошечных фрагментов пластиковой ленты, используемой для крепления компонентов аккумулятора.

Как известно, аккумуляторы отдают энергию благодаря протекающим в них химическим реакциям. Каждая батарея состоит из анода, катода и электролита (в виде жидкости или пасты/геля). При подключении аккумулятора к гаджетам, электроны движутся по электродам, обеспечивая питанием смартфоны, ноутбуки и прочие гаджеты. Проблемы возникают в случае, если электроны движутся не по электродам/кабелям, а от одного электрода к другому внутри электролита, что и приводит к разрядке без малейшей внешней нагрузки — поэтому заряд теряют даже выключенные устройства.

В поисках идеального аккумулятора исследователи использовали батареи в очень тёплой среде — при 85 градусах по Цельсию — в таких условиях аккумуляторы обычно теряют полезные свойства намного быстрее. В ходе одного из тестов было замечено окрашивание электролита в красный цвет, чего не должно было произойти, поскольку батарея представляет собой замкнутую систему — что-то произошло внутри неё самой.

Источник изображения: Brett Ruskin/CBC

В результате химических анализов выяснилось, что в электролите появились примеси диметилтерефталата (ДМТ), из-за которого и происходила самопроизвольная разрядка аккумуляторов. Оказалось, ДМТ структурно напоминает молекулу полиэтилентерефталата (ПЭТ) — последний используется для выпуска пластиковых бутылок, контейнеров для еды и т.д. А также для соединения компонентов аккумуляторов. Почти микроскопические кусочки пластика проникали в электролит и вызывали химические реакции, а значит постепенную самопроизвольную разрядку АКБ. Примечательно, что данный материал используется производителями аккумуляторов повсеместно.

После того как Метцгер и его команда поделились открытием в ноябре 2022 года, информацией заинтересовались многие производители компьютеров и электротранспорта. По данным учёных, многие компании уже готовы заменять подобные компоненты в своих АКБ во избежание быстрой саморазрядки.

Учёные уже предложили решение — использовать вместо ПЭТ чуть более дорогой, но не менее распространённый материал — полипропилен, применяемый для выпуска более надёжных пластиковых товаров и более устойчивый к химическому воздействию.