Нанотехнологии

В молодости Клаус Шультен воображал, что станет танцором, и будет жить не полагаясь ни на что, кроме собственного разума и тела. "Но танцор из меня вышел никудышный, вспоминает он. Итак, следующим вариантом жизненного пути для меня была теоретическая физика. Только я, карандаш, бумага, ну и ластик, разумеется."

Строго говоря, эта мечта тоже сорвалась. Но сегодня Шультен полагается на самое мощное и дорогое вычислительное оборудование в мире для применения вычислительной физики к моделированию биологических систем. Его последняя работа включала молекулярное моделирование целой органеллы, которая преобразует энергию света в химическую энергию внутри фотосинтезирующей бактерии.

Предыдущие части: первая, вторая, третья.

Оглавление

1. Транслоконы: дамбы Теночтитлана

2. YidC: продолжение для белково-проводящего канала

3. BAR-домены и мембранная скульптура

4. Понимание нервной системы

5. Грандиозный финал: серия взаимосвязанных процессов

Транслоконы: дамбы Теночтитлана

Прекрасный древний ацтекский город Теночтитлан был построен посреди озера и процветал в XV веке. При изучении археологических свидетельств, которые собрали воедино то, как он выглядел и функционировал, можно заметить поразительное сходство с живой клеткой. Внутри Теночтитлана было священное пространство, изобилующее храмами и пирамидами, окруженное стеной, подобно тому, как эукариотическая клетка имеет разделенные секции, отделенные мембранами. Внутри островного города-государства существовали всевозможные специализированные кварталы, похожие на органоиды.

У жителей также были формы валюты (например, какао-бобы), которые гомологичны АТФ. Подобно тому, как аквапорины контролируют поток воды в клетке, ацтекский город имел каменный акведук для питьевой воды. Но как основные блага попадают в клетку и выходят из нее? В Теночтитлане было три дамбы. В клетке самым фундаментальным благом, вероятно, являются ее белки. А проходы в клетке, которые позволяют проходить этим критическим молекулам, белкам, называются транслоконами. Транслокон сам по себе является белком, который живет в мембране, и выполняет функцию проводящего канала. Когда Клаус Шультен начал изучать транслоконы в 2005 году, он не мог представить, что его ждет. Это как не знать о всех сокровищах затерянного города, пока они не откопаны, и Шультену придется раскопать некоторые древние исследования, чтобы изучить новую систему, которую он вскоре стал считать сокровищем.

Когда Джеймс Джей Си Гумбарт в 2003 году поступил в аспирантуру в Урбана-Шампейн, он ничего не знал о биофизике и предполагал, что в конечном итоге изучит физику конденсированных сред, что было сильной стороной университета. "Но потом, на первом семестре, я пошел на биофизику и был очень заинтригован ею", вспоминает Гумбарт. Это было лишь вопросом времени, когда студент начнет работать с Шультеном, поскольку вычислительная направленность также импонировала ему.

Летом 2004 года, когда Гумбарт присоединился к группе, Шультен показал ему статью о канале белковой проводимости, которая, по мнению Шультена, была интересной и, возможно, могла бы стать плодотворным проектом. Вероятно, к восторгу Шультена, Гумбарт действительно обратил на это внимание, проявил большую инициативу и продолжал производить впечатляющий объем работы.

Всего за три года Гумбарт и Шультен подготовили три статьи о различных аспектах транслоконов, которые они раскрыли с помощью моделирования. Например, в первой работе Гумбарта они изучали проводящий белок канал, кристаллическая структура которого была получена совсем недавно и о котором мало что было известно. Было ясно, что этот канал выполняет двойную функцию: он либо полностью пропускает белок на другую сторону мембраны, либо помещает его в последнее пристанище внутри мембраны. Пара ученых из Иллинойса решила сосредоточиться на первой функции транслокона. И они действительно раскрыли динамическую картину происходящего. Гумбарт вытащил короткий сегмент аминокислот и увидел, как пробка в канале сдвинулась, чтобы пропустить этот сегмент. Хотя Гумбарт признает, что это был довольно упрощенный подход, он подчеркивает роль компьютера для наблюдения динамических процессов мембранных белков и их функции. Он также подчеркивает, что многому научился (с точки зрения вычислений и науки) в своих ранних исследованиях проводящих белок каналов, и получил знания, которые хорошо послужат ему для следующей одиссеи, которая вот-вот начнется.

Примерно в то время, когда Шультен изучал транслоконы, его научные интересы внезапно расширились и включили в себя увлекательную и массивную молекулярную машину рибосому, биологическую фабрику, которая собирает белки клетки. В 2004 году один экспериментатор обратился к Шультену на конференции и попросил его помочь решить дилемму, связанную со структурами рибосом, полученными двумя различными типами микроскопов. Один тип микроскопа включает в себя рентгеновскую кристаллографию, которая выдает структуру высокого разрешения; другой тип электронная микроскопия, которая генерирует структуры низкого разрешения. Этот экспериментатор (Иоахим Франк) получал структуры рибосом с помощью криоэлектронной микроскопии и нуждался в помощи, включающей данные высокого разрешения (от рентгеновской кристаллографии, сгенерированной другими) в его карты. По аналогии рассмотрим две фотографии: на одной птица сидит на проводе, а на другой птица в полете. Изображение птицы в полете захватывает птицу в процессе полета (ее функция), но имеет низкое разрешение. Однако представьте себе, что первый снимок может запечатлеть мельчайшие детали, вплоть до каждого пера. Если бы каким-то образом можно было использовать все мелкие детали неподвижной птицы и применить их к птице в полете, можно было бы объяснить функцию птицы полет. Поэтому задача Шультена состояла в том, чтобы взять данные рентгеновской кристаллографии и поместить их в карты криоэлектронной микроскопии; эти карты электронной микроскопии были действительно способны захватить рибосому в процессе выполнения ее функции, в отличие от рентгеновской микроскопии.

Шультен оценил свои силы и согласился на проект. Его группа работала над большими системами в течение десятилетий, у него были собственные программные продукты в качестве инструментов, и у него была группа студентов, одаренных в вычислительном искусстве. Результатом стал метод, названный MDFF или молекулярная динамика с адаптивной подгонкой, и он дебютировал в 2008 году. Более подробную информацию о генезисе MDFF можно найти в этой истории. Достаточно сказать, что она открыла Шультену захватывающий мир рибосомы.

Но как рибосома связана с проводящим белок каналом? Как уже отмечалось, рибосомы производят белки, которые в процессе построения выходят из своего туннеля, а затем должны свернуться и отправиться в свой дрейфующий путь. Один из вариантов заключается в том, что зарождающийся белок может жить в цитозоле клетки. Или его судьбой может быть путешествие через мембрану наружу. Третий вариант зарождающийся белок может быть предназначен для жизни внутри мембраны. Для этих двух последних вариантов белок-проводящий канал направляет зарождающийся белок к цели. В 2007 году Шультену и Гумбарту стало известно о группе, которая опубликовала карту рибосомы в комплексе с ее белково-проводящим каналом полученную с помощью криоэлектронной микроскопии. (Этот канал известен как SecY). Это интригующая система сразу две макромолекулы, каждая из которых влияла на другую. Более подробно о функции рибосомы можно было бы узнать, если бы ее изучали в тандеме с проводящим белок каналом, который на нее влиял. И Шультен и Гумбарт поняли, что они могут генерировать структуры высокого разрешения каждой части дуэта, чтобы в конечном итоге скорректировать карту электронной микроскопии. Это казалось идеальной работой для MDFF. Гумбарт даже отправился в Бостон, чтобы получить карту электронной микроскопии от экспериментаторов, создавших комплекс.

Это было одно из первых применений нового метода MDFF для группы Шультена. Гумбарт рассказывает, что группа все еще отлаживала метод, когда он работал над этим комплексом рибосомы плюс канал в январе 2008 года, но это было очень захватывающее время, особенно приятно было видеть, как структуры почти волшебным образом вписываются в электронную плотность. MDFF скомпоновал комплекс из 2,7 миллиона атомов, который включал рибосому, белок-проводящий канал, мембрану и воду самый большой на тот момент в группе Шультена. Исследователи действительно могли видеть, как рибосома вызывала небольшую дестабилизацию в пробке канала. Это был очень успешный проект, и он был лишь прелюдией к тому, что должно было произойти.

В процессе работы над MDFF Шультен скооперировался с экспериментатором в Мюнхене, биохимиком по имени Роланд Бекман, который сумел выловить активирующие системы с помощью своего электронного микроскопа. Бекман уже работал над электронной микроскопией рибосомы, соединенной с проводящим белок каналом, когда он и Шультен объединили усилия. На самом деле, проект Шультена и Бекмана принес обеим командам научную публикацию, в которой MDFF был использован Гумбартом для карты канала связанного с рибосомой.

Клаус Шультен навсегда запомнит свой первый визит к Бекману в Мюнхене. Это было в июле 2008 года, и во время встречи Бекман вывел Шультена на улицу, чтобы показать ему плакат на стене с изображением электронной микроскопии. И Шультен чуть не упал в обморок от восторга, увидев кое-что знакомое. Он сразу же узнал на карте нанодиск, объект, смоделированный в университете Иллинойса. Шультен помогал открывателю нанодиска визуализировать его, так что это было то, над чем Шультен работал в начале своей карьеры. В принципе, открыватель нанодиска, Стив Слигар, хотел изготовить наноразмерный кусок мембраны, чтобы удерживать мембранные белки, поскольку, как уже отмечалось, работа с мембранными белками вне мембраны представляла экспериментаторам много проблем. Итак, Слигар дал миру рецепт создания пучка липидов, удерживаемых вместе двумя белками-каркасами маленький кусочек мембраны, на который можно посадить белок!

Новшество Роланда Бекмана состояло в том, что он взял рибосому, в которой зарождающийся белок еще не полностью вышел из туннеля рибосомы, и ввел в систему нанодиск затем зарождающийся белок змеился в канале в нанодиске. В сущности, Бекман поймал моментальный снимок рибосомы с зарождающимся белком, входящим в канал в окружении мембраны. И Клаус Шультен сразу узнал нанодиск. Это о чем-то говорит, потому что, когда Шультен помогал Слигару визуализировать нанодиск еще в 2005 году, он получил лишь косвенную информацию о его форме. В сознании Шультена нанодиск выглядел очень похожим на то, что он видел на стене у Бекмана в тот летний день 2008 года, так что это было подтверждением того образа, который Шультен представил научному сообществу.

Бекман хотел, чтобы опыт Шультена в MDFF позволил создать структуру системы рибосома-нанодиск с высоким разрешением. Гумбарту казалось естественным работать над этим проектом, поскольку он включал в себя проводящий белок канал. Однако, по мнению Шультена, это был сложный проект. А ведь аспирант только начал учиться разбираться в картах электронной микроскопии. "Мне пришлось смотреть на этот канал часами, прежде чем я смог действительно начать мысленно видеть белок, выходящий из него", рассказывает Гумбарт. Но, к счастью, с ним работали еще два студента-пионера MDFF, чтобы помочь ему разобраться в картах.

Гумбарт и Шультен в конце концов смогли разобраться в сверхсложной, но новаторской системе, которую Роланд Бекман запечатлел с помощью электронного микроскопа. Для Гумбарта это было кульминацией всей его диссертационной работы. Одна из целей, которую они с Шультеном поставили перед собой, состояла в том, чтобы увидеть, как образуются мембранные белки. Для Шультена этот проект с рибосомой и нанодиском был вершиной его карьеры. Он считает, что этот проект подчеркивает, как вычислительная техника (через MDFF) может стать ключевым партнером для экспериментов. Но самое главное, он никогда не ожидал, что снова вернется к нанодиску, и он никогда не думал, что это будет что-то настолько инновационное.

YidC: продолжение для белково-проводящего канала

Скорее всего, проект провалится. Несмотря на это предупреждение Клауса Шультена, постдок Абхишек Сингхарой решил уделить ему все свое внимание. Летом 2013 года Шультен посетил Мюнхен и вернулся с несколькими новыми проектами, один из которых был совместным с группой Роланда Бекмана. Несмотря на мрачное напутствие, Шультен, вероятно, заинтересовался этой темой, потому что она была продолжением его многолетней работы над белковыми проводящими каналами. Для полного удовлетворения рибосомы, зарождающегося белка и транслокона было недостаточно, поскольку было известно, что дополнительный мембранный белок, называемый YidC, иногда помогает каноническому белковому проводящему каналу. Это было мучительно для Шультена, который всегда думал о системах с несколькими белками. Но он полностью отдавал себе отчет в шансах на успех, когда ставил перед Сингхарой задачу: экспериментаторам нужна помощь вычислителей, завершающих работу над структурой YidC.

Видите ли, для YidC не существовало никакой кристаллической структуры. И не было похоже, что она появится в ближайшие годы или десятилетия. Но Роланд Бекман считал, что структура может быть построена даже без дифракции рентгеновских лучей. Экспериментаторы в лаборатории Бекмана, после того как не смогли получить исходную структуру для YidC, обратились к вычислительной группе в своем родном университете (Мюнхенский университет Людвига Максимилиана), известной своими программными инструментами, предназначенными для предсказания структуры белка по последовательности. И на Сингхароя легла следующая задача работать рука об руку с группой Бекмана над усовершенствованием структуры. Сингхарой использовал бы все инструменты из арсенала группы Клауса Шультена, а экспериментаторы Бекмана, и в первую очередь аспирант Стефан Уиклз, сосредоточились бы на электронной микроскопии и биохимии. Это был прекрасный пример работы компьютера в тандеме с экспериментом. И это было путешествие, полное драм.

Вычислительная группа в Мюнхене (возглавляемая Йоханнесом Седингом) вывела исходную структуру на основе своих программных средств, использующих биоинформатику. Они не только смогли предсказать листы и спирали YidC, но также использовали эволюционный ковариационный анализ, чтобы предсказать, насколько близко одна спираль может быть к другой.

Имея под рукой "входную" структуру, Сингхарой поместил белок YidC в мембрану и начал проводить моделирование молекулярной динамики. "Но это не было обычным моделированием молекулярной динамики", рассказывает Сингхарой. "Это была динамика ограниченная полученными ранее ковариационными измерениями". После того, как структура была запущена с ограничениями, затем без них, чтобы уравновесить и отобразить расслабленную структуру, пришло время отправить результаты сотруднику-экспериментатору, который проверяет, какие взаимодействия делают эту расслабленную структуру стабильной. Чтобы провести всю эту биохимию, Уиклз менял компоненты и тем самым устранял взаимодействия, которые предполагались как стабилизирующие. И потом весь процесс сызнова молекулярная динамика с ограничениями и без них, затем биохимические эксперименты. Сингхарой рассказывает, что таким образом они прошли через множество итераций. Все с целью найти наиболее устойчивую структуру.

После этих утомительных повторений Уиклз нашел способ удостовериться, что очередная структура Сингхароя была истинным энергетическим минимумом, а не каким-то локальным, в котором задержался YidC, потому что время моделирования было недостаточно длительным. Уиклз провел химический эксперимент по сшиванию. В принципе, если два остатка (парочка определенных аминокислот) расположены близко, то после добавления к ним группы серы, они могут образовывать дисульфидную связь, и это может быть сравнительно просто обнаружено, таким образом доказывая, что два рассматриваемых остатка находятся рядом. Чтобы проверить структуру Сингхароя, Уиклз ввел в YidC зарождающийся белок и перекрестно связал некоторые их остатки. И о чудо, они были связаны! Это был самый сильный тест, который показал, что многие итерации окупились, и структура была значимой.

И в разгар этой тяжелой работы, Уиклз узнал немыслимое: их нагоняла другая группа! Вот-вот должна была быть опубликована кристаллическая структура бактериального YidC. Уиклз был на научной конференции, где у него был плакат о его работе над YidC, когда он увидел кристаллическую структуру на другом плакате. Если и было что-то хорошее, так это то, что Уиклз заметил, что его смоделированная структура очень похожа на кристаллическую структуру, которую он видел на конференции.

Это вызвало волну лихорадочных приготовлений к подготовке публикации. Три команды, в принципе, уже были готовы представить доклад, когда Уиклз увидел кристаллическую структуру на конференции. Наконец, после долгих испытаний и невзгод, статья была принята в июле 2014 года и вышла только через три месяца после того, как кристаллическая структура была опубликована командой из Японии. Структура, основанная на модели, которую опубликовала триада команд, была не единственным значительным результатом работы. Благодаря обширной молекулярной динамике, которой руководил Сингхарой, он начал раскрывать некоторые детали того, как на самом деле работает YidC, поскольку он мог видеть его динамически в своих симуляциях. Во-первых, моделирование показало, что дно YidC образует уплотнение. Это имеет смысл, поскольку известно, что YidC является инсертазой, то есть она берет зарождающуюся цепь из рибосомы и направляет эту цепь в сторону ее последнего пристанища в мембране. В процессе, ни один канал не открывается внизу. Вместо этого новообразованный белок проходит через ворота в боку YidC. Моделирование показало, что одна из спиралей, образующих ворота, действует очень похоже на затворку или гибкий закрылок, позволяющий зарождающемуся белку змеиться в мембрану.

В общем, этот проект с самого начала выглядел очень рискованным, но упорство исследователей возобладало. Они даже пережили оказию состоявшую в том, что другая группа тоже получила структуру, и сумели опубликовать свою статью, несмотря на тяжелую ситуацию. Сингхарой указывает, что в будущем предстоит некоторое дальнейшее уточнение моделируемой структуры на основе кристаллической структуры, хотя эти две структуры принадлежат разным бактериям. И, наконец, команды хотят объединить YidC с рибосомой, что, несомненно, принесет больше волнения и интересных исследований и, вероятно, обеспечит более тесное сотрудничество между учеными-вычислителями и учеными-экспериментаторами.

BAR-домены и мембранная скульптура

Новая аспирантка Ин Инь хорошо помнит тот день в 2006 году, когда Клаус Шультен позвал ее в свой кабинет и достал из кармана смятый клочок бумаги. Он протянул ей листок и сказал: "Мы должны поработать над этим", на бумаге она увидела только три буквы: B...А...R. Не так уж много, для уверенного старта. Но в течение следующих нескольких лет эти три литеры приведут к проекту, в котором будут задействованы все инструменты из арсенала Schulten group. И созвездие факторов сошлось вместе, чтобы произвести прекрасное применение молекулярной динамики. Этот проект, на самом деле, является непревзойденным примером того, как вычислительная биология может дать представление о динамических процессах, связанных с мембранными белками. Ниже мы увидим, как такая клеточная активность как ваяние мембран, была полностью раскрыта от начала до конца.

Что же такое мембранная скульптура? Эукариотическая клетка это сложное строение с множеством отсеков, отгороженных мембранами. Эти мембраны бывают самых разных форм плоские, изогнутые, волнистые или правильной формы. Есть также везикулы в клетке, например, в аппарате Гольджи (amazon.com клеточного мира) белки упаковываются внутри мембран (один тип везикул) и отправляются в свой конечный дом, либо в цитоплазму, либо, возможно, высвобождаются наружу клетки. Дело в том, что внутри клетки существует множество мембранных систем, и каждая из них имеет уникальную форму. Но что именно отвечает за появление столь многих различных форм? Часто для "лепки" мембраны в ее окончательный вид используются белки.

Когда Клаус Шультен дал Ин Инь этот листок бумаги с тремя магическими буквами, он на самом деле подразумевал семейство белков, называемых BAR-доменами. Известно, что эти белки изгибают мембраны (во время эндоцитоза и экзоцитоза). На самом деле существует три члена семейства (N-BAR, F-BAR, I-BAR), и в центре внимания Инь вскоре оказались белки N-BAR, для которых уже была известна структура. По мере того как она начинала исследовать белок, она становилась все более и более заинтересованной и все более и более убежденной, что это тема, достойная изучения. И Инь начала обсуждать N-BAR-домены со своим женихом Антоном Архиповым, тоже аспирантом в группе Шультена. Супруги поняли, что могут сотрудничать и тем самым промоделировать то, что раньше казалось невозможным. Даже Шультен не ожидал, что такое моделирование осуществимо. О чем эта парочка догадалась?

Инь и Архипов познакомились в первые же дни учебы в аспирантуре Иллинойского университета в августе 2004 года. Они пересеклись на квалификационном экзамене и поняли, что оба новички на физическом факультете, Инь из Китая и Архипов из России. Архипов, увлеченный нейробиологией, присоединился к группе, поскольку он узнал о прошлых работах Шультена в области нейробиологии, а затем увлекся идеей вычислительной биофизики, над которой Шультен в настоящее время работал. Инь начала работать в лаборатории физики высоких энергий, но поняла, что хочет заниматься чем-то связанным с жизнью, и Архипов предложил ей присоединиться к группе Шультена.

У Архипова было много разнообразных проектов в группе Шультена, и над одним из них он работал вместе с аспирантом Питером Фреддолино, а именно над реализацией крупнозернистой молекулярной динамики в NAMD. В этом методе группы атомов объединялись в эдакие "бусинки". Например, одна бусина может представлять 10 атомов. Хотя это может означать некоторую потерю мельчайших атомных деталей, это, по существу, равносильно возможности управлять молекулярной динамикой в чрезвычайно больших системах и в течение чрезвычайно длительного времени. Архипов занимался двумя видами крупнозернистой молекулярной динамики, одна из которых была основана на остатках, а другая на форме. Первый имеет разрешение одного остатка (около 10 атомов на шарик), а второй использует группу шариков для представления целого белка (около 150 атомов на шарик).

Архипов фактически использовал крупнозернистую молекулярную динамику на вирусных капсидах в качестве приложения метода. Также в это время аспирантка Эми Ши использовала крупнозернистую молекулярную динамику для упомянутой выше системы нанодисков. "Поскольку Инь работала над BAR-доменами, я, конечно, обсуждал это с ней просто из любопытства", рассказывает Архипов. "И мы вместе решили, что это может быть хорошим применением крупнозернистой динамики." Супруги рассказывают, что Шультен очень поддержал их предложение о сотрудничестве. К слову, Шультен сотрудничает со своей женой, химиком, уже около сорока лет и понимает как выгоды, так и потенциальные профессиональные опасности сотрудничества мужа и жены в науке. Инь и Архипов поженились в 2008 году.

В первой работе Инь и Архипов поместили один доменный белок, который имеет форму более или менее похожую на банан, на участок мембраны и наблюдали, как молекулярная динамика показала, что мембрана рядом с белком изгибается, чтобы соответствовать кривой серповидного белка. На следующем шаге, они поместили шесть BAR-белков в линию на участке мембраны. Единственная причина, по которой они могли просто попытаться совершить такой подвиг, была новая крупнозернистая функция NAMD. Без упрощенного представления этот финт потребовал бы обсчитать несколько миллионов атомов, что не позволило бы моделировать достаточно долго, чтобы увидеть, согнули ли шесть белков мембрану. Когда шесть стержневых белков образовали волнистую форму, они попытались сложить шесть белков в виде решетки. Вуаля! Они наткнулись на конфигурацию, которая произвела красивую кривизну. Это была решетка из BAR-белков.

Шультен рассказывает, что, когда они попытались опубликовать свои результаты с решеткой BAR-доменов, у них возникли проблемы. Эксперты отмечали, что для клеток не характерны высокие концентрации BAR-белков, поэтому моделирование казалось нереалистичным. "Но потом кому-то удалось сделать электронные микрофотографии мембран вместе с BAR-доменами", отмечает Шультен. "А потом они увидели, что те образуют именно ту решетку, о которой мы говорили!" Так что теперь казалось вероятным, что многие BAR-домены работали вместе, чтобы лепить мембраны. Вскоре после этого работа была принята.

В качестве грандиозного финала Шультен, Инь и Архипов решили действительно проверить новый метод крупнозернистую молекулярную динамику, и посмотреть, смогут ли они сформировать трубку из плоского участка мембраны. "Психологически, и просто как демонстрация силы метода, ничто не может быть лучше, чем фактически показать формирование трубки целиком", отмечает Архипов. Поэтому Инь поместила сеть из N-BAR-белков на кусок мембраны в 200 нанометров в квадрате, передала свою работу суперкомпьютеру и стала ждать. И ждала она почти 200 дней. Однако Инь рассказывает, что она проверяла прогресс несколько раз в день и часто видела одно и то же изо дня в день трубка не закручивалась. Шультен велел ей набраться терпения. И вот однажды образовалась идеально закрытая трубка! Все трое ученых были в восторге. Крупнозернистая молекулярная динамика могла дать масштабный обзор процесса лепки мембраны. Как подытоживает Архипов: "Я был очень рад видеть это, потому что изобрести метод легко, но сделать его полезным сложнее."

Шультен продолжает свою работу с BAR-доменами и по сей день. В настоящее время его аспирант Ханг Юй работает над F-BAR. Вдохновленные полученным в 2008 году криоэлектронным микроскопическим изображением решетки F-BAR-доменов на трубке, Юй и Шультен приступили к ответу на ряд вопросов, к примеру: как работает F-BAR-домен в клетке, лепит ли он мембрану подобно N-BAR-белкам? Почему клетка использует такую специфическую концентрацию F-BAR-доменов?

Юй решил посмотреть, как F-BAR-домен изгибает кусок мембраны. Когда он запустил свою симуляцию, ничего не произошло, мембрана просто осталась плоской. Он провел несколько симуляций и так ничего и не увидел. Но он использовал те же времена, что и его предшественники, Инь и Архипов. Юй, наконец, решил позволить моделированию работать очень долго, и, о чудо, он наконец увидел, как F-BAR-домен изгибает мембрану. Юй обнаружил, что F-BAR-домены менее жестки, чем N-BAR-домены, но в то же время производят меньшую кривизну.

Затем Юй попытался найти, какая оптимальная плотность белков F-BAR-домена дает наибольшую кривизну. На кусочек мембраны размером 1000 квадратных нанометров он положил 5, 8, 10, либо 16 димеров. Он увидел, что расположение 10 димеров создает наилучшую кривизну на плоской мембране. Теперь Юй был вооружен особой решеткой, которая производит наибольшую кривизну. Он был готов посмотреть, будут ли F-BAR-домены производить трубочку из плоского куска мембраны. Юй сообщает, что он и Шультен были в восторге, когда увидели, что трубка полностью сформирована.

Во всех работах по BAR-доменам Шультен утверждает, что то, что на самом деле создает кривизну мембраны, называется механизмом строительных лесов. В этом механизме есть положительно заряженные остатки на нижней стороне банановидного BAR-домена, которые притягивают отрицательные липидные головки. Это притяжение смещает липиды к BAR области и таким образом искривляет мембрану. Но многие все еще не определилось с механизмом лепки, поскольку некоторые исследователи предпочитают другой метод, называемый механизмом вставки. В этом механизме остатки BAR-домена фактически вставляются в мембрану и зажимают ее, заставляя изгибаться. Шультен признает, что иногда в клетке некоторые белки могут использовать механизм вставки для изгиба мембран. "Потому что если заглянуть в клетку, поясняет Шультен, то можно увидеть очень много разных форм. Я имею в виду так много, что вы никогда бы не подумали, что все они появляются в с применением только одного трюка."

Понимание нервной системы

Когда примерно в 2005 году Клаус Шультен услышал, что была получена структура калиевого канала, он был заинтригован, поскольку это косвенно было связано с его многолетними исследованиями мозга. В то время как калиевые каналы были модной темой, Шультен был мотивирован своим давним увлечением исследованиями мозга. А калиевые каналы играют ключевую роль в функционировании нервной системы.

Нервная система у животных это основной способ реагирования на внешний мир. Нервные клетки реагируют на раздражители и затем передают эту информацию от нейрона к нейрону, вниз по длинным аксонам. Электричество, или поток зарядов, является ключом к этой передаче, но в отличие от электроники, электричество мозга переносится не движением электронов по проводам, а градиентом ионов калия и натрия.

Но как срабатывает нервная клетка? По сути, внутри нее постоянно поддерживается небольшое отрицательное напряжение (она действует как своего рода батарея). В клетках человека внутри содержится избыток ионов калия, а жидкость, омывающая мембрану снаружи, содержит избыток ионов натрия. Когда раздражитель (звук, прикосновение, свет и т. д.) достигает клеток в органе чувств, он преобразуется в электрический сигнал, который достигает, за один шаг или после нескольких шагов, нейронов, направляющихся к мозгу. В этих нейронах натриевые каналы в мембране клетки открываются, и ионы натрия втекают внутрь. В конце концов, когда напряжение достигает определенного значения, это приводит к тому, что открывается множество других натриевых каналов, и в конечном итоге внутри клетки достигается пороговое (положительное) напряжение. Примерно через миллисекунду, возникает потенциал действия положительное напряжение. Натриевые каналы теперь закрываются. Затем открываются калиевые каналы, и ионы калия покидают клетку, возвращая клетку к более отрицательному напряжению. Следовательно, клетка перешагивает свой порог активации и восстанавливается до своего небольшого отрицательного потенциала покоя, накачивая калий и натрий соответственно. Таким образом, этот перенос ионов происходит через мембрану и передается вниз по мембране аксона нервной клетки для передачи сигнала. И все это электрохимическое поведение основано на натриевых и калиевых каналах. Имея под рукой оцифровку калиевого канала, Клаус Шультен понял, что может исследовать ключевой элемент нейрона с точки зрения физики.

Примерно в то же время, у него также появился новый ученик, Фатима Халили-Арагхи, которая взялась изучать эту тему. Первоначально заинтересовавшись физикой высоких энергий, при поступлении в аспирантуру она вскоре поняла, что физика в группе Шультена была такой же увлекательной, как и в теории струн. Она немедленно начала исследовать калиевые каналы. Ученые знали, что это канал, и он открывается и закрывается (эффект стробирования) в зависимости от изменения напряжения. "Когда я начала изучать литературу, я поняла, что мы не знаем, как они чувствуют напряжение. Мы не знали, что происходит внутри", вспоминает Халили-Арагхи. Ее задача состояла в том, чтобы узнать больше и прояснить механизм.

Она и Шультен впервые попытались понять проникновение ионов калия через поры. В белке есть пять аминокислот, которые образуют самый узкий сегмент канала и которые не пропускают ничего, кроме калия, поэтому он известен как селективный фильтр. Многое было постулировано о том, как ионы проходят через селективный фильтр, и одна идея заключалась в том, что калий не течет непрерывно. Когда Халили-Арагхи начала имитировать калий идущий потоком, канал не проводил. Это было странно, потому что кристаллическая структура полученная экспериментаторами, предположительно, находилась в открытом состоянии. Было перепробовано множество попыток, прежде чем пришло понимание, что происходит "инактивация" фильтра это было нечто, что происходило спонтанно и препятствовало проводимости. В конце концов Халили-Арагхи поняла, что некоторые карбонатные группы в фильтре ответственны за непроводимость, и после многих попыток она ограничила их, после чего канал начал пропускать ионы. И, наконец, она и Шультен подтвердили, что проникновение ионов калия происходит по цепочному механизму похожему на перебор четок; в канале есть два иона калия, а затем входит третий, он остается там, но выталкивает нижний калий вниз через остальную часть канала. Хотя это подтверждение было опубликовано в Biophysical Letters, Халили-Арагхи говорит, что трудности моделирования проводимости были даже не самой сложной частью проекта.

Как-то она была на собрании Биофизического общества и завела разговор с ученым из лаборатории Бенуа Ру в Чикаго. Ру биофизик, который также изучал калиевые каналы. Халили-Арагхи узнал, что соавтор Ру, Владимир Яров, построил модель замкнутой структуры калиевого канала, закрытого напряжением. Это вскоре стало ценным для Халили-Арагхи, и вскоре они с Шультеном начали сотрудничать с лабораторией Ру. В то время как мембранные белки традиционно трудно кристаллизовать, еще труднее кристаллизовать ионный канал в состоянии, которое существует только при приложении определенного напряжения, чтобы держать его закрытым ибо это состояние должно происходить внутри мембраны. Но модель замкнутого состояния от Ярова не была похожа на первозданную кристаллографическую структуру. Халили-Арагхи пришлось потратить много времени на усовершенствование структуры, пока она не достигла стабильного закрытого состояния.

На этом работа не закончилась. "У нас было закрытое и открытое состояния, и мы должны были как-то проверить их, что закрытое состояние это действительно закрытое состояние", резюмирует она. Затем последовали серьезные вычисления расчет стробирующих зарядов. Когда канал переходит из открытого состояния в закрытое, некоторые заряженные остатки перемещаются, и эти движения могут быть количественно оценены в экспериментах. Хотя Халили-Арагхи могла точно воспроизвести эти экспериментальные измерения, сказать, что моделирование требовало огромного компьютерного времени, было бы преуменьшением. "В тот момент я думаю, что количество компьютерного времени, которое мы использовали для этого проекта, было, вероятно, сопоставимо суммарному затраченному времени на все другие проекты", говорит Халили-Арагхи. Но усилия того стоили, потому что они получили очень близкое совпадение с экспериментальными стробирующими зарядами. Халили-Арагхи провела еще много вычислений, чтобы проверить и улучшить закрытое состояние. В конце концов они обнаружили структуру, которая имела область сужения с отрицательно заряженными остатками. "Таким образом, все становилось на свои места, снова указывая на то, что наше закрытое состояние, вероятно, чем-то похоже на реальное закрытое состояние, обнаруженное в клеточной мембране нейрона", утверждает она. "Это, вероятно, самое близкое, что мы можем получить, я имею в виду, пока мы не увидим это с помощью кристаллографии или любого другого метода."

Итак, что же в конце концов обнаружило длительное моделирование нейронного калиевого канала? Фактически был получен ответ на важнейший вопрос, касающийся фундаментального свойства нейронной передачи сигналов. Она происходит через зависимость от напряжения проводимости ионов натрия и калия через мембрану нервной клетки в атональной области нервных клеток. В случае как натриевых, так и калиевых каналов проводимость реализуется центральной порой, которая с высокой специфичностью различает ионы натрия или калия. Эта пора окружена четырьмя так называемыми вентилями напряжения, которые контролируют проводимость центральной поры с целью измерения напряжения на нейронной мембране. По мере того как ионы проводятся, напряжение действительно изменяется, и соответственно изменяется проводимость. В результате ионная проводимость нелинейна по отношению к напряжению, и нелинейность формирует нервные сигналы.

Этот математически интересный способ управления нервными сигналами был открыт в 1950-х годах Ходжкином и Хаксли задолго до того, как стали известны какие-либо молекулярные подробности об ионных каналах в нейронной мембране. Ходжкин и Хаксли были удостоены в 1963 году Нобелевской премии по физиологии и медицине. Самое удивительное, что математическая форма уравнений Ходжкина-Хаксли напоминает недавно обнаруженную структуру ионных каналов, ясно указывая, что ионные каналы должны иметь четыре вентиля напряжения. До тех пор, пока Шультен не увлекся калиевыми каналами, оставалось загадкой, каким образом вентили напряжения улавливают слабые изменения напряжения, происходящие на нейронной мембране. Моделирование Халили-Арагхи и Шультена показало в случае калиевого канала, что изменение напряжения локализуется на удивительно коротком расстоянии в затворе, так что, хотя это изменение невелико, возникающая сила (которая зависит от времени изменения напряжения заряда иона и расстояния) достаточно высока, чтобы произвести сильный эффект. Физика включает в себя перераспределение высоко поляризуемых молекул воды и изменение обычной альфа-спирали белка в так называемую спираль 3-10. Эволюция открыла здесь электронное наноустройство, подобное транзистору, которое делает возможными нейронные сигналы и, следовательно, нейронные вычисления. В настоящее время группа Шультена расширяет исследования Халили-Арагхи на натриевый канал, который является более сложным по своему устройству. Шультен уверен, что вскоре он завершит мост между структурой и динамикой нейронных ионных каналов, с одной стороны, и математической феноменологией Ходжкина и Хаксли, с другой.

Грандиозный финал: серия взаимосвязанных процессов

Мы сотканы из ткани наших снов Шекспир, Буря

Две мечты Клауса Шультена определили его цели на протяжении последних сорока пяти лет научной жизни. В детстве он был очарован АТФ, и он никогда не забывал это раннее очарование универсальной валютой живой клетки. В том же духе он хотел изучить ключевой мембранный белок, реакционный центр, чтобы объяснить фотосинтез, и его возмутительный план построить свой собственный суперкомпьютер в 1980-х годах направил его на путь становления вычислительным биологом. Итак, спустя четыре десятилетия удовлетворен ли Шультен своим личным пониманием АТФ или фотосинтеза? Он подобрался очень близко. И чтобы представить кульминацию жизненного призвания, он счел необходимым осветить ряд процессов фотосинтеза, которые начинаются с поглощения солнечного света и заканчиваются выработкой АТФ. "И дело в том, что то, что я хотел сделать с помощью науки, я мог сделать только через фильм", резюмирует Шультен. Но это не голливудская постановка. Каждый отдельный атом правильно учтен, и все процессы были тщательно демистифицированы на протяжении многих лет многими, многими учеными, включая различных исследователей из группы Шультена. Никаких спецэффектов, только чистая наука. Этот ролик, предоставленный ниже, также затрагивает другую мечту Шультена, его желание описать, как несколько белков работают вместе в клетке, образуя сообщества биологической организации, что является сутью создания живой клетки. И этот фильм основан на мембранной системе, хроматофоре фиолетовых бактерий.

Хроматофор это автономная единица в фиолетовой бактерии, которая действует как биологическая машина, производя АТФ под действием солнечного света. На самом деле ее называют псевдо-органеллой, поскольку она встречается у прокариот. В принципе, он выполняет автономную функцию сам по себе, и хотя он действует только в контексте клетки, он имеет такие размеры, что теперь можно моделировать эту "органеллу" во всей ее полноте, и тем самым это приближает Шультена к цели изучения целой клетки. Хотя существует много различных форм хроматофоров, один из них, показанный в видео, имеет сферическую форму, около 60 нанометров в диаметре и содержит более 100 белков, встроенных в сферическую мембрану. Внутри хроматофора происходит ряд процессов между взаимодействующими белками. "Они работают, как швейцарские часы, где маленькие колесики и шестеренки приводят друг друга в движение", поясняет Шультен. "И именно этот часовой механизм процессов действительно заставляет систему делать то, что она делает." В то время как ученые в течение десятилетия рассматривали отдельные процессы, выполняемые отдельными белками, целью фильма Шультена было показать последовательность процессов, которые приводят к созданию АТФ из солнечного света, и проиллюстрировать взаимосвязь всех процессов.

Но как Шультен прошел путь от увлечения реакционным центром (одним из пяти типов белков, встроенных в хроматофор) до понимания всех типов белков, составляющих хроматофор? Как только структура реакционного центра была получена в 1985 году Гартмутом Мишелем, Шультен немедленно приступил к вычислениям этого мембранного белка, лежащего в основе фотосинтеза. И тогда он взялся за рискованный проект. Однажды вечером в Урбане в 1995 году на вечеринке Шультен и Мишель начали обсуждать смелый план по определению структуры светосборочного белка. В то время как реакционный центр имеет решающее значение для фотосинтеза, существует ряд белков, собирающих свет (показаны красным и зеленым на изображении), которые фактически направляют энергию в реакционный центр, где она затем преобразуется в перенос электронов. Белки собирающие свет, в основном действуют как вспомогательные антенны, чтобы поглощать больше доступного света для использования хроматофором. Пакт Шультена с Гартмутом Мишелем был на самом деле сумасшедшим, потому что Шультен не был экспертом в структурной биологии, а кристаллографические данные Гартмута упускали ключевую часть информации (фазовые углы). Но Шультен вместе с бесстрашным постдоком Сиче Ху фактически использовал вычисления, чтобы в конечном итоге выяснить структуру белка, называемого светосборочным комплексом. Таким образом, Шультен начал расширять свои знания о белковых компонентах хроматофора.

Моделирование LHC II (light harvesting complex) привело к тому, что Шультен называет своим самым большим успехом в области исследований мембранных белков, над которыми он работал с начала 1990-х годов. В тот момент Шультен снял фуражку структурного биолога и надел шляпу квантового физика. С выдающимся дуэтом аспирантов, Торстеном Ритцем и Анной Дамьянович, а также Сиче Ху, команда разгадала, как каротиноиды и хлорофиллы, составляющие светосборный комплекс II, функционируют как единое целое и используют квантовую физику для достижения эффективного поглощения фотонов и передачи энергии в реакционный центр. С одной стороны, Шультен был биофизиком, который занимался моделированием белков. "С другой стороны, я был физиком-теоретиком, который хорошо знал квантовую физику, и поэтому в тот момент, внезапно эта моя вторая половина мозга проснулась. И это было, я думаю, самое замечательное, что случилось со мной."

Таким образом, первоначально Шультен был очарован реакционным центром, а затем в середине 1990-х годов он начал работать над двумя типами вспомогательных белков, которые направляют энергию в реакционный центр. Кроме того, примерно в 2005 году Шультен начал амбициозный проект с постдоком Мелихом Сенером, чтобы собрать воедино все экспериментальные данные за последние десятилетия и фактически смоделировать полный хроматофор, вплоть до каждого последнего атома. Эта работа стала возможной в значительной степени благодаря сотруднику Шультена в Шеффилде, Нилу Хантеру. Было бы невозможно проиллюстрировать все взаимосвязанные процессы в хроматофоре до тех пор, пока не будет реализована его полная структура.

В хроматофоре есть пять ключевых белков-игроков. Первые два (светосборочные комплексы I и II) действуют как антенны, а третий белок, реакционный центр, преобразует собранную энергию в перенос электронов. Таким образом, остаются два типа белков, необходимых для окончательного превращения солнечного света в АТФ. Эти два комплекса называются bc₁-комплексом и АТФ-синтазой. После того, как свет попадает на антенны хроматофора, он поступает в реакционный центр, который использует эту энергию, чтобы протолкнуть электрон вниз по цепи. Затем специальная молекула (хинон) активируется двумя электронами и двумя протонами (становится хинолом) и проплывает через маслянистую мембрану к bc₁-комплексу. Затем bc₁ перекачивает протоны хинола с внешней стороны сферического хроматофора внутрь. И тогда хорошо известная АТФ-синтаза использует протонный градиент, чтобы стимулировать производство АТФ. (Для полноты картины, здесь задействован шестой белок цитохром, который переносит электроны от bc₁ обратно к реакционному центру.)

Группа Шультена должна была использовать инструменты квантовой химии для описания сложных реакций переноса электронов и протонов, которые происходят в bc₁-комплексе, усилия, возглавляемые совсем недавно аспиранткой Анджелой Барраган. Она провела очень тщательные крупномасштабные квантово-химические расчеты, чтобы точно определить, что на самом деле происходит в процессе создания протонного градиента.

Как и следовало ожидать, работа группы Шультена над АТФ-синтазой дорога его сердцу. Ему потребовалось много лет, чтобы достичь подходящего понимания этого мембранного белка. Поначалу все шло медленно, поскольку первоначальные структуры не были достаточно полными, чтобы Шультен мог полностью погрузиться в объяснение его внутренней работы. "Поэтому тогда я был очень осторожен и опубликовал только то немногое, что понял", рассказывает Шультен о своей многолетней работе над АТФ-синтазой. "И сегодня я, наконец, думаю, что у меня все получилось." Причина, по которой Шультен считает, что он, наконец, может объяснить АТФ-синтазу и ее функцию, затрагивает тему его фильма о хроматофоре в целом: совместная работа всех взаимосвязанных частей. АТФ-синтаза содержит шесть белков. Только сегодня, благодаря работе, недавно выполненной фантастическим постдоком Абхи Сингхарой, Шультен может описать сложность системы, а именно, как шесть белков работают вместе, чтобы преобразовать протонный градиент в крутящий момент, а затем в настоящую АТФ. Хотя он все еще проверяет некоторые шаги, используемые АТФ-синтазой, он находится в пределах досягаемости своих детских мечт об АТФ.

YouTube аналог

Фильм "Хроматофор", таким образом, заключает в себе множество тем, которые извивались в мозгу Шультена в течение последних пятидесяти лет. Он с детства хотел исследовать молекулы жизни, особенно важнейшую АТФ. Поэтому он принял решение изучать молекулярную физику в аспирантуре Гарварда дисциплину, которую все его друзья считали скучной и недостойной внимания. Во время своей первой работы он был знаком с областью фотосинтеза, но мог проводить только ограниченные исследования на эту тему, поскольку не было намеков, что важнейшие мембранные белки, лежащие в основе фотосинтеза, будут когда-либо оцифрованны. В Мюнхене в 1980-х годах Шультен имел место в первом ряду для получения структуры первого мембранного белка, реакционного центра. Но реакционный центр имел и другой глубокий эффект, поскольку он подтолкнул Шультена к использованию компьютера в качестве инструмента, который, если его отточить, может стать бесценным для биологии. И, наконец, он всегда настаивал на моделировании все больших и больших структур с явной целью описания биологической организации, что переводится в рассмотрение того, как взаимодействуют кластеры из сотен или даже тысяч белков. И у него были программные средства, которые он разработал для вычислительной биологии, VMD и NAMD, и с помощью этих самых инструментов он был способен сделать фильм про хроматофор, который требовал моделирования и анализа огромного числа атомов (около 100 миллионов). Имея все это в виду, Шультен утверждает, что: "Идея о фильме напрашивалась сама собой."

Фильм "Хроматофор" является подходящим завершением этой истории о мембранных белках. С богатым набором мембранных белков, которые Шультен и его группа уже демистифицировали, удивительно, что Шультену пришлось ждать почти тридцать лет, пока он смог смоделировать белок и мембрану вместе. Правда, его путь не всегда был легким, но Шультен смотрел вперед и не зацикливался на невзгодах. Его успехи в этой области идут рука об руку с достижениями в области вычислительных инструментов, которые разрабатывает его группа. На самом деле, с помощью компьютера Шультен неплохо зарабатывал себе на жизнь, хотя получение структур мембранных белков с помощью кристаллографии все еще происходит довольно медленно. Хотя роль вычислительного биолога иногда недооценивается, Шультен любит свое жизненное призвание. "Итак, теперь я разбираюсь в живых системах с помощью своего математического ума, и я очень, очень доволен этим".

Статья была написана в 2014 г. Через год хроматофор (100 миллионов атомов) промоделировали на суперкомпьютере "Титан". В октябре 2016-го Клаусс Шультен умер в возрасте 69 лет, но его дело продолжается его учениками из Theoretical and Computational Biophysics Group.

Материалы для дальнейшего погружения: подборки видео (раз, два, три, четыре) и более академичный обзор моделирования клеточных мембран (с сопутствующими семью сотнями ссылок), а также обзоры подходов к цельноклеточному моделированию (раз, два, три +статья 70-го года (для сравнения) с вставками на фортране).

В публикациях в интернете по-разному объясняется, как возникает цвет пламени у костра

Существует две принципиально разные версии. В одной говорится, что излучают раскаленные частицы углерода размером около 100 нм, во второй - что желтый цвет возникает при излучении солей натрия, находящихся в древесине.

В многочисленных публикациях одно или другое из этих объяснений. На форумах обсуждается эта тема, но никто не ссылается на результаты экспериментов.

Вот пример типичных публикаций:

То есть, до настоящего времени нет общепринятого варианта объяснения механизма видимого излучения, возникающего в процессе горения костра!

И все же - почему костер желтый?

Я решил провести эксперименты и найти правильный ответ. Мне нужно было измерить спектр видимого излучения пламени костра и объяснить результаты. Если спектр будет сплошным верна первая версия, если мы будем наблюдать двойную линию натрия вторая.

Замечу, в русскоязычном и англоязычном интернете мне не удалось найти подобных спектров.

Для проведения работы я изготовил и настроил спектрометр.

Самодельный спектрометр

В интернете много публикаций и роликов о том, как сделать спектрометр из DVD диска, однако характеристики этих приборы не позволяют провести нужные измерения. Мне же удалось сделать качественный спектрометр.

Основные характеристики

Спектрометр работает в диапазоне 400-700нм с разрешением 0,3 нм. Применяются сменные оптические щели шириной 50, 100, 200 и 300 микрон. Дифракционная решетка с шагом 740 нм изготовлена из DVD диска. Регистрация спектра выполняется зеркальной фотокамерой Nikon D5100. Прибор выполнен в крепком корпусе, позволяющем сохранять настройки при перемещениях.

Измерение спектра пламени костра

Были проведены классические эксперименты - измерены спектры Солнца, лазеров, пламени газовой горелки и всевозможных ламп. Спектрометр прошел проверку и теперь можно было приступать к исследованию пламени костра.

Измерим спектр линии огня - так я назвал увиденную линию.

На фоне очень слабого непрерывного черно-тельного спектра были зарегистрированы две яркие желтые лини с длинами волн 589,0 нм и 589,6 нм. Согласно базе данных NIST - это линии натрия.

Ниже на фотографии показана часть спектра пламени костра с большим увеличением, чтобы можно было рассмотреть двойную линию натрия 589,0 нм и 589,6 нм на фоне непрерывного спектра раскаленных частиц углерода:

В дальнейших исследованиях была зафиксирована динамика появления линий натрия в спектре. Пока костер разгорается - в спектре линии отсутствуют. По мере появления углей и увеличения мощности излучения, данные линии появляются и их яркость растет.

Обсуждение результатов экспериментов

Почему мы видим желтый цвет, физиология

Чтобы правильно объяснить результаты экспериментов надо понимать, как наши глаза воспринимают излучения разной длины волны и как мозг обрабатывает эту информацию.

Коротко и очень, очень упрощенно напомню хорошо известные факты. Мы воспринимаем цвет желтым по разным причинам: в одном случае, когда в сетчатку глаза попадает излучение узкого спектра с длинной волны в диапазоне 570нм 590нм, и во многих других, когда в глаза попадает излучение разного спектрального состава. Например, красный и зеленый в правильных пропорциях будут восприниматься как желтый. На экране мониторов мы создаем как раз такой желтый цвет.

То есть наши глаза и затем мозг создают иллюзию цвета и поэтому для понимания физических и химических процессов нам и требуется измерение спектра.

Заблуждение, которое встречается во многих публикациях, в которых объясняют желтый цвет костра - Цвет костра вызван излучением натрия

Данный эксперимент показывает - появление двойной линии натрия не оказывает какого-либо заметного изменения цвета.

Небольшие пояснения

Сравним спектры излучения Солнца и пламени костра.

В солнечном спектре максимум приходится на зеленый цвет, а мощность красного и синего меньше. Излучение именно с такой спектральной характеристикой воспринимается как белый цвет.

В пламени костра из атомов углерода образуются частицы сажи размером до 100нм. Эти частицы и дают непрерывный спектр с максимумом излучения в инфракрасной области, а мощность видимого излучения падает от красного к зеленому и еще больше к синему. Излучение с таким спектром воспринимается человеком как оттенки желтого и оранжевого, в зависимости от температуры области пламени. Желтый цвет костра это случайное совпадение.

Влияние солей натрия

В процессе горения появляется зола в которой содержатся соли, в том числе и соли натрия. Золы совсем немного. Она начинает подниматься в пламени вверх, и яркая двойная желтая линия натрия постепенно появляется в спектре. Однако ее появление не сказывается заметно на цвете костра, так как желтый цвет от непрерывного спектра глаза уже воспринимают.

Мощность излучения натрия значительно меньше, чем суммарная мощность непрерывного спектра.

Выводы

То, что мы видим костер желтым, не означает, что идет излучение в узком спектральном диапазоне натрия. Наши глаза и мозг воспринимают непрерывный спектр как желтый цвет.

Появление дополнительно яркой линии натрия мало влияет на восприятие цвета костра, который остается таким же желтым. Для нас не заметно изменение цвета, так как такой цвет уже был. Кстати, если бы за цвет костра отвечал только натрий, оттенков бы не было, так как мы бы видели чистый спектральный цвет.

Почему же популярной остается версия о том, что желтый цвет костру придает линия натрия? Скорее всего, случайное совпадение цвета линии натрия и черно-тельного спектра углерода и привело к путанице.

Цвет пламени костра дают ярко светящиеся частицы углерода. Влияние на цвет излучения натрия минимально.

О том, как сделать качественный спектрометр и как правильно проводить эксперименты читайте в моей статье "Самодельный спектрометр с высоким разрешением"

Полезные ссылки:

1. И. А. Леенсон Химия и жизнь 2, 2011 Химия пламени. В статье рассказывается, в том числе, как в пламени возникают светящиеся наночастицы углерода.

2. Информационная система Электронная структура атомов. Очень удобный русскоязычный ресурс по спектральным данным атомов и ионов. Ссылка для натрия.

3. Максим Бондаренко, Как мы воспринимаем цвет. Доступно и интересно написано о сложном.

Хорошее разрешение достижимо

В интернете много публикаций о том, как используя DVD-R диск и смартфон можно собрать спектрометр, однако характеристики таких устройств не позволяют проводить точные измерения. Мне же удалось сделать прибор с разрешением 0,3 нм.

Основные характеристики

Спектрометр работает в диапазоне 400-700нм с разрешением 0,3 нм. Применяются сменные оптические щели шириной 50, 100, 200 и 300 микрон. Дифракционная решетка с шагом 740 нм изготовлена из DVD-R диска. Регистрация спектра выполняется зеркальной фотокамерой Nikon D5100. Прибор выполнен в крепком корпусе, позволяющем сохранять настройки при перемещениях.

Конструкция и изготовление прибора

Дифракционная решетка

Диск был расслоен на две половины и разрезан на части, которые после промывания спиртом были помещены в рамки. Дифракционная решетка готова.

Изготовление сменных оптических щелей

В дюралевой пластине сверлю отверстие диаметром 8 мм. Клеевым пистолетом закрепляю половинку лезвия безопасной бритвы, располагая режущую кромку по центру отверстия. Вставляю в отверстие щуп толщиной 50 мк, плотно прижимаю вторую половину лезвия и приклеиваю ее. Аналогично делаю щели 100 мк, 200 мк и 300 мк. Сменные оптические щели готовы.

Корпус спектрометра

Делаю деревянный корпус. Окрашиваю внутри и снаружи в черный цвет.

Оптика и регистрация спектра - фотоаппарат NIKON D5100

Примерно на 3000 пикселей матрицы приходится около 300 нм видимого спектра. Т.е. 1 пикселю соответствует 0.1 нм. Для надежной регистрации линии нам нужно два-три пикселя. Расчеты показывают, что для такого разрешения размеры оптической щели должны быть порядка 100 микрон. Было сделано несколько щелей для выбора лучшего варианта экспериментальным путем.

Чтобы получить такое разрешение необходим зеркальный фотоаппарат с хорошим объективом. Смартфон и веб-камера не подходят. Требуется большая апертура и ручные настройки. На данный момент на Авито можно приобрести подходящую камеру по цене от 5 до 10 тысяч рублей.

Настройка и калибровка спектрометра

Калибровка прибора проводилась перед каждой серией экспериментов по известному спектру компактной ртуть содержащей люминесцентной лампы.

Определение длины волны линий исследуемого спектра возможно без специального программного обеспечения. Ниже спектр лампы с линиями ртути 435,8 нм, 546,0 нм, 577,0 нм и 579,1 нм. Линия 611 это уже Европий.

Расстояние между линиями 2, 1 нм. Половина ширины линии на кадре не более 0,3 нм, что соответствует примерно 3пикселям матрицы. Делаем вывод разрешение прибора 0,3 нм. Что в дальнейшем подтвердится съемкой двойной линии натрия.

Для построения спектральных кривых можно использовать программу сайта Spectral Workbench

Измерение различных спектров

Были проведены несколько классических экспериментов.

Самый интересный эксперимент, ради которого и был изготовлен спектрометр - измерение спектра пламени костра

На фоне непрерывного спектра была зарегестрированна яркая линия, которую я назвал линией огня.

Обработка результата

Совмещаем спектр калибровочной лампы и исследуемый спектр на одном кадре. Зная расположение известных линий ртути, можно определить искомую длину волны, путем замеров и последующих расчетов.

Что это за линия и как она возникает - читайте в моей статье "Спектральный анализ пламени костра. Что делает огонь желтым наночастицы углерода или соли натрия?"

http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/post/545710/

Полезные ссылки:

1. Сайт Spectral Workbench. Используя программы на сайте можно обрабатывать спектры и получать графики интенсивности в зависимости от длины волны.

https://spectralworkbench.org

2. Информационная система Электронная структура атомов. Очень удобный русскоязычный ресурс по спектральным данным атомов и ионов.

http://grotrian.nsu.ru/ru/periodictable/

В истории идей, появившихся в XX веке, особое место занимает триада из парадокса Ферми, шкалы Кардашёва и сферы Дайсона. Не вдаваясь в их подробности, изложенные по приведенным ссылкам, отмечу, что объединяю их по общему допущению о существовании во Вселенной высокоразвитых разумных цивилизаций. Несмотря на то, что ни малейших признаков внеземного разума на данный момент не найдено, эти идеи выдают, какого поведения мы ожидаем от представителей сверхцивилизаций, в число которых надеемся когда-нибудь войти. Это:

1. Готовность и даже стремление общаться с другими разумными существами (поэтому Ферми счел парадоксальным факт молчания Вселенной, учитывая, что за время ее существования на обитаемых планетах должно было сформироваться множество цивилизаций не примитивнее нашей),

2. Стремление к экстенсивному технологическому развитию, где развитие цивилизации требует постоянного наращивания энергопотребления и перехода от примитивных источников энергии ко все более обильным и высокотехнологичным,

3. В качестве первого шага на пути вверх по шкале Кардашёва необходимо принципиально оптимизировать сбор энергии нашего Солнца сегодня она чуть менее чем полностью рассеивается в космосе. Поэтому было бы целесообразно окружить Солнце рукотворной сферой, которая могла бы использоваться либо как грандиозная солнечная батарея, либо как пространство для заселения людьми.

В этой статье я хотел бы подробнее остановиться на современных представлениях о сфере Дайсона (начиная с того, что сферой она быть, вероятно, не может), также напомнив историю этой концепции. Сфера Дайсона и производные от нее гипотетические астроинженерные сооружения могли бы не только решить энергетические и демографические проблемы растущей цивилизации, но и упростить освоение других звездных систем, в том числе, совершенно необитаемых и лишенных жизнепригодных планет. Чтобы не слишком отвлекаться от темы, я обойду здесь вниманием концепцию мозга-матрешки, поскольку она информационная, а не энергетическая и вполне заслуживает отдельной публикации, а также не буду вдаваться в широкий обзор астроинженерных сооружений, а рекомендую почитать хабрастатью из блога компании Asus.

Но давайте обо всем по порядку.

Фримен Дайсон (1923 2020) блестящий инженер и физик британского происхождения, в 1950-е перебрался в США, последние годы жил в Принстоне. Вот ссылка на подробную публикацию с сайта Элементы о лекции Дайсона, прочитанной во время визита в Россию 23 марта 2009 года. Мистер Дайсон не скрывал своего ершистого научного диссидентства и скептического отношения ко многим острым темам современности, в частности, к политизированности проблем, связанных с глобальным потеплением. Я много лет испытываю пиетет к Дайсону (характером он неуловимо напоминает мне галливспайна), поэтому в свое время, работая в издательстве Питер, инициировал и курировал перевод книги его эссе Dreams of Earth and Sky, а также заручился поддержкой уважаемого Даниила Кузнецова и получил в подарок обзор этой книги на сайте Life.ru. Думаю, вышеупомянутой статьи с Элементов вполне достаточно, чтобы составить впечатление о научной и жизненной позиции Дайсона, поэтому перейдем к обсуждению его opus magnum Сферы Дайсона.

Концепция

В 1960 году Фримен Дайсон опубликовал статью, в которой предположил, что технологически развитая цивилизация, уже приступившая к полномасштабному освоению своей звездной системы, могла бы соорудить на расстоянии около 2 астрономических единиц от звезды (revolving around the sun at twice the Earth's distance from it) цельную сферу, предназначенную для сбора излучения этой звезды и производства энергии. По расчетам Дайсона, сфера полностью скрывала бы звезду от внешнего наблюдателя, а температура внешней поверхности сферы могла бы составить до 300 K. То есть, астрономам с другой планеты (например, с Земли) казалось бы, что звезда излучает энергию в глубоком инфракрасном (микроволновом) спектре, чем сильно выделяется на фоне других звезд.

Эту гипотезу Дайсон сформулировал в контексте поиска внеземного разума, а не в качестве энергетического проекта. Он считал, что поиск таких инфракрасных звезд может быть более перспективным путем к цивилизационному контакту, чем попытки обмена радиосигналами. Также отметим, что термин сфера Дайсона впервые появился примерно в 1964 году, и предложил его именно Николай Семёнович Кардашёв в работе Передача информации внеземными цивилизациями (1964)

Более поздние исследования показали, что монолитной такая конструкция быть не может, так как ее разорвут гравитационные силы. Также обратим внимание на формулировку Дайсона revolving around the sun. Действительно, для стабилизации сферы Дайсона ее необходимо раскрутить до орбитальной скорости, которая позволила бы удерживать сферу на нужном расстоянии от звезды. В таком случае идеально жесткая и идеально шарообразная сфера немного сплющилась бы у полюсов, но оставалась устойчивой. Но такая конструкция также не слишком надежна, поскольку идеально жестких материалов не существует. Наконец, для компенсации гравитационных (дифференцирующих) сил сферу можно было бы укрепить магнитными полями, но стабильность всей конструкции в таком случае стало бы поддерживать еще сложнее, не говоря об обслуживании подобных магнитов.

Также не будем забывать, что внешняя поверхность сферы продолжает излучать в микроволновом спектре, и поток покидающих ее фотонов дестабилизирует всю конструкцию. Такое воздействие фотонов настолько существенно, что позволило сформулировать еще одну футуристическую концепцию двигатель Шкадова. О материалах для изготовления сферы Дайсона, а также о некоторых ее потенциальных физических характеристиках, мы еще поговорим ниже, а пока остановимся на более реалистичных конфигурациях такого астроинженерного сооружения.

Сфера Дайсона вполне может представлять собой систему колец, также собирающих значительную часть энергии звезды.

Здесь мы подходим к важному аспекту, подчеркивающему научную ценность таких идей, кажущихся на первый взгляд чистой научной фантастикой. Мир-Кольцо, описанный в романе Ларри Нивена это классическая научная фантастика. Вышеприведенная система колец это развитие глубоко футуристической идеи Дайсона, воспринимаемой, однако, не как сюжет для фантастического романа, а как инженерный проект, скорректированный с учетом нестыковок, выявленных уже на этапе моделирования. А далее рассмотрим научное обоснование статьи, исследующей возможности практического применения кольцевых структур в ближнем космосе задолго до попыток построить полноценную сферу Дайсона или Мир-Кольцо:

Абсолютно твердое тело, например, кольцо, с двумя равными главными осями инерции называется симметричный волчок.

Теперь рассмотрим два симметричных волчка, прикрепленных друг к другу не имеющими массы, не создающими трения, абсолютно прочными подшипниками, так, что их главные оси вращения расположены на одной линии, но оба могут вращаться независимо друг от друга каждый по своей оси симметрии. Назовем такую конструкцию соосным симметричным волчком (ССВ). Простой идеализированный пример токонесущее кольцо из сверхпроводящего кабеля, вложенного в кольцевую сверхпроводящую трубку (получится сверхпроводящий тор). Благодаря эффекту Мейснера, кабель будет центрирован внутри тора под действием магнитного поля, что позволит сохранить трение на минимальном уровне.

В реальности никакие подшипники не бывают ни абсолютно прочными, ни лишенными трения. Даже с учетом преимуществ сверхпроводимости, для обеспечения которой потребуется тепловой экран с функцией охлаждения, а также в условиях высокого вакуума ожидается, что в конструкции ССВ будут доминировать диссипативные потери кинетической энергии.

Можно спроектировать такое кольцо, диссипативные потери в котором будут достаточно медленными, чтобы обеспечить всей конструкции долгий срок службы до разрушения как в большинстве искусственных спутников, для работы которых требуются двигатели, удерживающие аппарат на орбите, обладающие ограниченным запасом топлива. Правда, более вероятно, что в конструкции такого кольца будут предусмотрены активные механизмы компенсации диссипативных потерь. Пример со сверхпроводящим кабелем внутри тора не слишком практичен с точки зрения подзарядки магнитного поля кабеля или раскручивания его. Более практична могла бы быть модель, устроенная по принципу поезда-маглева с возможностью задействовать крутящий момент и слегка корректировать положения осей между составляющими A и B соосного симметричного волчка. Такая система потребовала бы энергетической подпитки, но это не проблема, учитывая размеры кольца. Так, можно представить кольцо с окружностью 100 км, расположенное на расстоянии 1 а.е. от Солнца. Если его эффективное сечение составит 1 м и будет покрыто солнечными батареями с КПД 10%, то такое кольцо сможет генерировать около 10 МВ энергии. Для сравнения: окружность Земли составляет примерно 40000 км, поэтому орбитальное кольцо с окружностью 100 км будет относительно невелико.

Кроме чисто энергетических возможностей применения такого кольца предлагается использовать его, например, для генерации искусственного магнитного поля.

В качестве альтернативы подобного проекта в другом источнике предлагается стационарный солнечный парус или спутник для сбора солнечного ветра. Впрочем, авторы отмечают, что энергетическая полезность подобного спутника, равно как и энергетическая ценность солнечного ветра сравнительно низки.

Столь обширный пример приведен здесь в качестве иллюстрации развития астроинженерных идей, которые, однако, легко прослеживаются от сферы Дайсона. Принципиальное назначение таких структур аккумуляция солнечной энергии и попытки ее масштабного практического применения.

Рой Дайсона

Отметим важную идею из предыдущего раздела: функционал сферы Дайсона может быть реализован при помощи совокупности орбитальных аппаратов, которые могут решать энергетические задачи не хуже системы колец. Такая концепция получила название Рой Дайсона. Фактически, в большинстве теоретических построений рой Дайсона представляют, как массив микроспутников, оборудованных солнечными панелями и собирающими солнечную энергию. Предполагается, что для этой цели такой рой должен располагаться как можно ближе к Солнцу, лучше всего на орбите Меркурия. Причем, Меркурий кажется достаточно необычной планетой, так как представляет собой очень плотное и компактное тело, богатое железом. Поэтому элементы роя Дайсона можно было бы автоматически собирать прямо из пород Меркурия и строить рой на орбите Меркурия. Согласно некоторым расчетам, сам Меркурий при этом не сошел бы с орбиты и остался цельным, даже если употребить на изготовление роя Дайсона до половины меркурианской массы. Однако подобный проект сопряжен с множеством практических проблем, и вот лишь некоторые из них:

1. Для прицельного запуска первого комплекта роботов-сборщиков в район Меркурия требуется значительно больше энергии, чем для запуска корабля в направлении к границам Солнечной системы, поскольку во втором случае необходим лишь небольшой толчок, а далее корабль может держать скорость, пользуясь гравитацией других планет для разгона. При запуске корабля к Солнцу необходимо не дать занять ему не ту околосолнечную орбиту, то есть, преодолевать гравитационное воздействие Солнца, что значительно сложнее.

2. Рой Дайсона может заслонить Солнце, что привело бы к значительным изменениям климата на Земле, вплоть до катастрофического похолодания.

3. Столкновение двух спутников в рое может привести к дальнейшим обвальным столкновениям, что быстро выведет значительную часть спутников из строя. Причем, спровоцировать такое столкновение может даже небольшое возмущение на Солнце.

4. Полученную энергию необходимо передавать на Землю, и стоимость такой передачи может оказаться непозволительно дорогой.

При обоснованности всех подобных возражений нельзя не упомянуть еще более фантастическую идею, изложенную в статье 2020 года. Действительно, элементы роя Дайсона должны быть более умными машинами, чем современные микроспутники, оборудованные солнечными панелями. В таком качестве подошли бы зонды фон Неймана, которые могли бы образовывать нейронную сеть. В таком случае они бы не только корректировали собственные траектории, избегая столкновений, но и оставались бы на нужных орбитах. Кроме того, с учетом саморепликации как важнейшей черты зондов фон Неймана, эти машины могут самостоятельно собраться в практически сплошную сферу, подобную сфере Дайсона и самостоятельно ее стабилизировать, поскольку такая сфера не будет монолитной. Автор статьи обоснованно отмечает и экологическую опасность, вернее, заразность подобного роя поэтому допускает, что засеивать зондами фон Неймана собственную звездную систему может быть опасно, а подобный энергетический проект на территории близлежащей необитаемой звездной системы (которая в данном случае становится источником энергии для цивилизации III типа по шкале Кардашёва) сценарий абсолютно гипотетический.

Здесь отметим, что дешевые аналоги сферы Дайсона и анализ связанных с ними проблем вновь подводят нас к идее, что именно полноценная сфера, либо решетчатая система пересекающихся колец наиболее практичные и безопасные проекты такого рода. Рассмотрим, из чего же может быть сделана такая сфера, а также каковы ее ожидаемые физические характеристики.

Физические характеристики сферы Дайсона

Одной из наиболее удивительных геометрических идей, описывающих микроструктуру сферы Дайсона, мне кажется использование девятиугольных антипризм, нарочито раскритикованное автором в этой статье. Он говорит, что инопланетяне просто засмеяли бы нас, если бы обнаружили вокруг Солнца мегаструктуру со столь примитивной симметрией. Тем не менее, визуализация, которую я размещу ниже, позволяет оценить модульность получающейся структуры и, следовательно, ее устойчивость и удобство ремонта. Анимацию смотрите здесь и здесь.

В качестве другой устойчивой конфигурации для сферы Дайсона может быть выбран филлотаксис.

В этой модели синим цветом обозначены пятиугольники, красным шестиугольники и зеленым семиугольники. Структура филлотаксиса реализована в природе при расположении семечек подсолнуха в венчике и получается наложением решетки Фибоначчи на сферу. Она описывает оптимальное расположение ближайших соседей что принципиально важно в нашем случае, учитывая, что мы собираем сферу Дайсона из плотно прилегающих друг к другу сменных модулей. Подробнее об этой дивной геометрической структуре также рекомендую почитать на Хабре.

Приведу некоторые расчеты, найденные в этом источнике, связанные с прочностью и изготовлением сферы Дайсона.

Если сфера состоит из стали и имеет радиус в 1 а.е (принято выбирать именно эту величину, что, однако, необязательно ведь чем обширнее сфера, тем менее прочен может быть материал, из которого она состоит), получим давление в 3,5 ТПа, что в девять раз больше давления в центре Земли и в семь раз больше давления, которое удавалось поддерживать в лабораторных условиях. Эти показатели во много раз превосходят прочность стали, которая, в зависимости от сорта, может выдерживать давление порядка сотен мегапаскалей. Это в десятки тысяч раз меньше, чем необходимо для стабилизации сферы Дайсона.

Есть два варианта снизить прочностные требования к монолитной сфере Дайсона. Так, если изготовить ее из легчайшего твердого материала, известного человечеству углеродной нанопены, то приемлемый уровень давления снижается до 0,28 ТПа, что по-прежнему намного превосходит наши технические возможности. С другой стороны, если удвоить размеры сферы, то и этот критический показатель снизится еще вдвое. В таком случае возникает вопрос, где взять столько материала на изготовление сферы.

Заключение

Завершая эту статью, предположу, что конструкция сферы Дайсона и целесообразность ее возведения во многом зависят от трех факторов:

1. Физические характеристики звезды и планетной системы, где возводится сфера. Кстати, существуют исследования, авторы которых предполагают искать сферы Дайсона вокруг белых карликов.

2. Назначение сферы Дайсона энергетическое (колоссальная солнечная электростанция) или жизненное пространство (заселение внутренней поверхности сферы). Чисто энергетическое назначение представляется более реалистичным.

3.Степень сложности и интеллектуальности отдельных модулей сферы Дайсона. Возможно, рой зондов фон Неймана вполне мог бы сам собирать сферу Дайсона из частиц этого же роя при условии, что сами роботы состояли бы из подходящего материала, например, углеродной нанопены, а также имели выверенный жизненный цикл отработав положенный срок, разбирались бы другими роботами на материал, который идет на строительство или ремонт сферы.

TSMC - эта не слишком милозвучная аббревиатура от Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, в современном мире стала синонимом феноменального успеха. На данный момент тайваньская компания обрела статус одного из наибольших мировых производителей полупроводниковой продукции, а в некоторых сегментах этой индустрии она и вообще вошла в положение монополиста. Занимая второе место по годовой выручке среди конкурентов является весьма удивительным фактом, что TSMC вполне сознательно сконцентрировалась исключительно на производстве полупроводниковых пластин - в мире просто не существует процессоров, модулей памяти под маркой TSMC. С чем это связано? Может быть и с самим неопределенным статусом острова, который является убежищем для непризнанной Китайской Республики - Тайвань. Каким вообще образом в 1987 году удалось основателю компании Морису Чангу - гражданину США, создать будущего лидера в самой передовой сфере ИТ производства на отсталом технологически, удаленном от центров цивилизации острове? О прошлом, настоящем и о том, что ожидает в будущем такую далеко не тривиальную компанию как TSMC и пойдет далее речь в статье.

Основатель

Очень часто невозможно понять современного положения вещей не уделив внимание исторической ретроспективе вопроса. То в каком состоянии пребывает нынешнее мировое производство полупроводниковой продукции неразрывно связано с такой неординарной личностью как Морис Чанг. Основатель и многолетний руководитель TSMC имеет весьма не заурядную биографию. Судьба этнического китайца Мориса, рожденного в Китае образца 1931 года, была крепко переплетена с судьбой всего Китая. Данное ребенку при рождении европейское имя Морис стало следствием того, что город Нинбо, в администрации которого его отец состоял на службе, являлся одним из 5 китайских "свободных" портов, где активно жили и работали европейские торговцы. Получив достаточно качественное начальное образование на английском языке в дальнейшем молодой китайский иммигрант сможет получить высшее образование в лучшем техническом учебном заведении США - МТИ (Массачусетский Технологический Институт). К иммиграции с родины молодого и перспективного китайца подтолкнули те бурные события которые неистово лихорадили всю юго-восточную Азию. Ряд китайских революций, японская оккупация, в 1949 году окончательное поражение коммунистам Мао националистического правительства Гоминьдана - в рядах которого молодой человек принимал участие, с одной стороны не оставляли Морису ничего другого как бежать из континентального Китая, с другой стороны сделает возможным его возвращение на Тайвань в 1985 году, где ему всего через два года будет суждено основать одного известного ИТ-гиганта.

Для понимание того, кто через 36 лет пребывания в США вернулся на Тайвань можно лишь глянуть на послужной список гражданина США Мориса Чанга.

Поучив в 1953 году диплом магистра Морис попробовал пойти далее по научной стезе, однако защитить докторскую диссертацию ему тогда было не суждено. В 1955 году году он устраивается в небольшую производственную компанию, в подразделение занимающееся полупроводниками. Было ли это предвидение молодого специалиста или просто случай неизвестно, но данное направление в технике теперь будет сопровождать Мориса всю его сознательную жизнь.

В 1954 году в США произошло довольно знаковое, однако малозаметное событие. Компанией Texas Instrumentsвпервые был налажен серийный выпуск транзисторов. Уникальность этого события для широких масс была несколько размыта поскольку сам принцип заложенный в радиодеталь давно уже не был новинкой. Существующие вакуумные лампы были куда надежнее предлагаемых до этого момента исследовательскими институтами "трехлапых монстров", откровенно говоря не обладающих достаточной стабильность в работе. Однако, настоящие специалисты понимали, что именно реализация подхода заложенного в работу транзистора пророчила ему самое светлое будущее. Миниатюризация печатных плат, колоссальное уменьшение электропотребления электроцепями, низкая цена в производстве все это должно было завоевать мир.

В 1958 году один из сотрудников Тexas Instruments создает и патентует первую в мире интегральную микросхему, в этом же году в компанию устраивается и Морис Чанг. Это было крайне удачное решение, ведь набирающей интенсивно обороты компании в самом скором будущем суждено будет стать самым крупным производителем полупроводниковой продукции в мире. В условиях отсутствия заслуженных авторитетов на ниве передовых технологий, хорошо образованный молодой китайский эмигрант с реальным производственным опытом в полупроводниковой тематике уже в 1961 году занимает весьма высокий пост начальника инженерного отдела. Отдав 25 лет жизни своему работодателю - Texas Instruments, Морис прошел практически все ступени карьерного роста. Вице-президент по внешнеэкономической деятельности - пост с которого в 1983 году Морис покинул Texas Instruments.

Возвращение в 1985 году на Тайвань весьма молодого - 54 летнего, человека с таким столь уникальным опытом не было случайным. Еще в конце 70х, США несколько изменила свою концепцию по продвижению своих интересов в юго-восточной Азии. Всесторонне разобрав ситуацию с поражением во Вьетнамской войне, правительство США решило сделать ставку, в первую очередь, на усиление экономических связей со своими союзниками в регионе. В рамках этой программы предполагался массовый перенос трудозатратных производств из самого США в страны с куда более дешевой рабочей силой. Это должно было дать обоюдовыгодный эффект. Япония, Филиппины, Южная Корея, Тайвань, Сингапур это те основные бенефициары проводимой политики США, что сейчас носят гордое название азиатских тигров. Под чутким руководством Мориса Чанга тайваньским китайцам - дисциплинированным и трудолюбивым, только-что оторваны от сохи, в этом новом мире суждено было занять свою новую высокотехнологическую нишу.

Корпорация TSMC

К слову, под управлением несменного лидера Мориса Чанга TSMC пробыла 31 год, основатель корпорации отошел от дел только в 2018 году, отдав ей 31 год своей жизни. Под его руководством компания стала знаковой не только для Тайвани, а и для всего мира. Что бы понять, что из себя сейчас представляет TSMC нужно взглянуть всего на несколько графиков. Главным из которых является конечно же уровень прибыли.

На рынке контрактных производителей полупроводниковой продукции TSMC с общей долей в 60% является безусловным лидером. Что же касается особо передового направления в производстве полупроводниковых пластин диапазона 5-32 нм, тут компания удовлетворила мировой спрос своей продукцией на 80% . Прибыль компании исчисляется миллиардами.

Если рассмотреть более детально структуру заработка самой TSMС по конкретному техпроцессу, то можно увидеть, что основная прибыль идет с наиболее продвинутых производств реализованных на уровне 5-7 нм техпроцесса.

Рассматривая исключительно техпроцесс не всегда понятно что за ним скрывается в мире реальных гаджетов. Но и тут отчет от TSMС поможет пролить свет на положение вещей. Более половины выпущенной компанией продукции устанавливается в смартфоны, треть станет основой для высоко производительных систем.

На сколько такая ситуация стала уникальной для TSMС? Да в общем не особо. За последние шесть лет структура прибыли у компании существенно не меняется. Наиболее прогрессивные технологии приносят около 50% заработка. Столь занятное распределение прибылей дает понимание того, что именно делает TSMС лидером среди контрактных производителей полупроводниковой продукции - интенсивное внедрение передовых технологий.

Но картина мира TSMС была бы не достаточно ясна, если бы не еще одна диаграмма. Поскольку компания весьма открытая ее регулярные статистические отчеты касаются самого разного спектра деятельности, в том числе и распределение получаемой прибыли в зависимости от реализации продукции в конкретном регионов мира. Это может и весьма удивительный факт, однако в 2020 году 75% выручки компании принес рынок Северной Америки. Торговля с КНР всего-навсего на уровне 6%. Торговля полупроводниковой продукцией с КНР резко упала в 2020 году как результат введенных против Поднебесной санкций со стороны США, но даже в досанкционный 2019 год эта цифра колебалась в районе 10%. Фактически, если пристально рассмотреть всю географию поставок продукции становится понятным - TSMС целиком и полностью зависит от потребителей в США как и ее международных партнеров.

Полупроводниковый полуфабрикат

Мы с вами много сказали про достижения TSMС и увидели множество красочных цифр, однако есть один существенный нюанс. Форма бизнеса которую ведет компания не предполагает выпуск собственного завершенного продукта будь то процессоры, модули памяти, SoC и тд. Как мы уже вспоминали TSMС стала самым крупным контрактным производителем полупроводников размещая на своих производственных мощностях заказы таких компаний как Apple, Qualcomm,Nvidia, AMD,MarvellBroadcom, MediaTek, Huawei и даже могущественной Intel. Однако в мире готовых решений ее доля не столь значительна.

Для мира процессоров тайваньская TSMС хотя и является существенным фактором, но далеко не главным. И тут разговор идет уже не об объемах получаемой прибыли, а о завершенных технологических цепочках. Компания TSMС не обладает полным циклом производства полупроводниковой продукции, даже учитывая ее глубокое партнерство с AMD и Apple. Возникает вполне законный вопрос а кто ж тогда обладает? Обладают им Intel и Samsung, Texas Instruments и Broadcom, но и тут вопрос не такой простой как могло бы показаться. Кроме разработки архитектуры процессоров, коей занимается достаточное количество организаций, в производстве "чипов" ключевую роль играет создание тех самых полупроводниковых пластин, а в особенности оборудования на котором они будут создаваться.

Обозначенные желтым цветом компании это и есть производители оборудования. При казалось бы достаточном количестве предприятий - Applied Materials, ASML, Tokyo Elektron, Lam Reasearch, KLA, говорить о широком выборе оборудования все равно не приходится. Проблема с производителями этого оборудования состоит в том, что наиболее востребованная полупроводниковая продукция та которая обладает максимальным количеством транзисторов на квадратный дюйм, а в этом сегменте конкуренция у компаний уже весьма условна.

Фактически в мире есть лишь одна компания готовая поставлять оборудование для производства полупроводников по 5 нм технологии и это Нидерландская ASML. Именно это оборудование и использует TSMС в производстве своей 5-7 нм продукции, также как собственно и корпорация Samsung. В тоже время Intel утверждает, что ее собственные разработки на основе оборудования от Applied Materials достаточно прогрессивны и дают возможность создавать на полупроводниковых пластинках, произведенных с использованием 7-10 нм техпроцесса, плотность транзисторов аналогичную плотности на пластинах произведенным TSMС с 5-7 нм.

Размытое будущее в едином фарватере

Столкнувшись с необходимостью покупки какого-то новомодного девайса рядовой потребитель зачастую впадает в ступор. Одолеваемый терзаниями выбора он рыщет по просторам интернета в поисках детальных характеристик, подробных обзоров, сравнительных анализов. В поисках ответов нарываясь в сети на бескомпромиссные дискуссии сторонников Samsung и приверженцев Apple, поклонников красных и любителей синих часто вообще теряется логическая нить происходящего. Однако, сняв всю эту цветовую мишуру и оторвав лейбл, не редко можно заметить, что все эти суровые в мире маркетинга конкуренты произведены на одних заводах, одним оборудованием, по весьма схожим технологиям.

Естественно глупо утверждать, что iPhone 12 и Samsung Galaxy S21 одинаковые аппараты, но также не разумно искать в них большие отличия. В современном мире все переплелось. Sony завалила весь мир встраиваемыми в смартфон камерами, Samsung стал абсолютным монополистом в производстве высококачественных экранов на базе OLED матриц, Qualcomm безусловный лидер в создании модулей связи 5G.

Конечно, конкуренция на рынке полупроводников все еще присутствует, о чем хотя бы свидетельствуют потуги корпорации Apple захватить мир с помощью своих АРМ процессоров серии А и М. Intel также не стоит в стороне и хотя уже крепко сотрудничает и сейчас с TSMС, также как и всерьез рассматривает возможность перенести часть производства своих процессоров на фабрики TSMС, но все еще не отказывается от продвижения собственных технологий и очевидно будет их развивать.

В свете таких радужных перспектив для TSMС стоит ли от нее, как независимой компании, ожидать выхода на качественно новый уровень своего развития, что она вложится в свою раскрутку и обзаведется собственной линейкой процессоров, модулей памяти или вообще смартфонов? Очевидно нет. Угрожает ли бизнесу TSMС новый политический тренд в США по возврата производственных мощностей из за границы назад в страну? Скорее всего так же нет, ведь фактически азиатские партнеры настолько сильно завязаны с США технологически, экономически, политически, по линии военной помощи, что называть их в полной мере заграницей американцы могут весьма формально. Что касается непосредственно Тайваня то и подавно, без всеобъемлющей протекции со стороны США остров уже давным бы давно утратил свою независимость.

Все, что мы сейчас вообще наблюдаем в мире полупроводниковой продукции укладывается в единый фарватер планомерного, поступательного движения вперед. Сложность технологического прогресса породила необходимость объединения воедино разбросанных по всему миру разработчиков, производителей, рынков сбыта, маркетологов. Главную скрипку в этом глобализационном процессе сейчас естественно играет США, как собственно это всегда и было в сфере микроэлектроники.

На этом фоне было бы интересно сказать что-то про действительно независимых новаторов производителей полупроводниковой продукции, но действительность такова, что их просто нет. Оценивая те грандиозные финансовые вливания, что осуществляют в развитие и производство полупроводников компаниями Intel, Apple, Samsung, ASML, TSMС и тд. говорить о появлении даже в среднесрочной перспективе некого нового игрока также не приходится. Даже "всесильный" Китай, фактически, не обладает собственным полным циклом производства современных полупроводниковых пластин. Наиболее совершенным производством подобной продукции в континентальном Китае является компания SMIC ( Semiconductor Manufacturing International Corporation ), но и она готовится приступить к выпуску пластин по 7 нм техпроцессу исключительно на оборудовании от ASML и в этом свете любой сбой в технологической цепочке, благодаря тем же грозящим санкциям, может откинуть КНР в технологиях производства назад на целые десятилетия. Ежегодно инвестировать сотни миллиардов на протяжении десятилетий без гарантий ожидаемого результата - ноша довольно тяжелая и наверно не так уж и нужная. Хорошо ли сложившееся положение вещей или не очень? Этот вопрос не имеет смысла, ведь это действительность в которой мы будем жить еще весьма долго.

Если кто-то в серьез задался поставленным в самом начале статьи вопросом и по какой либо причине все еще не нашел на него ответа, можно лишь коротко подытожить - всего по чуть-чуть.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Предложен метод подавления вторичного воспаления при COVID-19

Что ж, снова тревожно на фронтах. Бабье лето медленно вползает в осенний тоннель, а в нем нас поджидают давние "друзья". Меж тем ученые НИТУ МИСиС, РАН и Сеченовского университета предложили новый метод выявления и предотвращения случаев повторного воспаления у пациентов, больных коронавирусной инфекцией. Метод основан на взаимодействии с Т-клетками особым типом инвариантных лимфоцитов, защищающих слизистые. Статья об исследовании опубликована в Frontiers in Immunology Journal.

Слизистые оболочки, причем как снаружи, так и внутри тела, особенно уязвимы для вирусов и бактерий. В качестве одной из основных охранных сил выступают MAIT-клетки особый тип Т-лимфоцитов, выявляющих патогены и разрушающих их оболочки. Именно MAIT-клетки вызывают на пораженных участках ткани то, что мы называем воспалением повышение температуры, набухание, покраснение, избыточная секреция.

Они считаются своеобразной скорой помощью организма, первой реагирующей на появление инфекций. Как правило, они концентрируются в кровеносных сосудах, в коже и в других точках, куда бактерии попадают чаще всего, и они управляют работой других иммунных клеток, вырабатывая большой набор химических сигналов при встрече с патогенами.

Ученые из НИТУ МИСиС, Центра Кристаллография и фотоника РАН и Первого МГМУ им. И.М. Сеченова выяснили, что микробиотический состав человеческого организма (присутствующие в нашем теле микроорганизмы) может довольно сильно влиять на течение респираторных инфекций, в том числе и коронавирусной.

Как отмечают эксперты, у каждого седьмого пациента с COVID-19, находящегося на искусственной вентиляции легких, течение болезни усугублялось дополнительными приобретенными патологиями. В тот момент, когда организм больного слаб настолько, что не может справляться без ИВЛ, ткани особенно уязвимы к вторичным бактериальным и грибковым инфекциям. В таком случае чрезмерно активная работа MAIT-клеток может только усугубить ситуацию и препятствовать выздоровлению пациента.

В целом, эти клетки полезны, ведь они служат защитой от бактериальных или грибковых инфекций. Но при уже развившейся вирусной инфекции и высоком уровне воспаления активность MAIT-клеток может усугубить заболевание. Согласно последним данным, есть основания полагать, что у пациентов с COVID-19 эта активность усиливается это видно по цитокиновому профилю, а также по вторичным инфекциям, развивающимся у пациентов с COVID-19. Конечно, это еще требует дальнейшего изучения, комментирует Роман Акасов, научный сотрудник лаборатории биомедицинских наноматериалов НИТУ МИСиС.

Таким образом, в определенных случаях MAIT-клетки порой не помогают бороться с инфекцией, а наоборот, являются ее пособниками. По мнению ряда исследователей, они являются главным источником интерферона-гамма, сигнальной молекулы, связанной с воспалениями.

Наблюдая за их реакцией на колонии обычных стафилококков и стрептококков, ученые-иммунологи заметили, что эти клетки начинали вести себя крайне необычно они как будто сходили с ума и начинали выделять гигантское количество белковых сигнальных молекул, которые заставляли другие иммунные клетки атаковать все подряд, а не только микробов.

Как добавляет Роман Акасов, MAIT-клетки активируются при наличии таких вирусных заболеваний, как герпес, гепатит и грипп. Ряд новых исследований показывает, что это актуально и для COVID-19. Лимфоциты собираются в легких, и есть все основания полагать, что их тем больше, чем выше тяжесть заболевания.

На основании этих открытий ученые НИТУ МИСиС предложили применять ингибиторы MAIT-клеток, иными словами, подавлять чрезмерный иммунный отклик, чтобы избежать осложнений.

В общем и целом, лучше Парацельса пока никто не сказал.Всё-яд,всё-лекарство; то и другое определяет доза.

Будьте здоровы, друзья.

Редко выпадает такая удача, что физическая идея возникает на кончике пера, а затем подтверждается экспериментально, спустя считанные годы. Наиболее известным примером такого рода является позитрон, первая античастица. Поль Дирак предсказал существование позитрона в 1930 году, и уже в 1931 Карл Андерсон получил и описал такую античастицу за что в 1932 году Поль Дирак был удостоен Нобелевской премии по физике.

Совсем недавно схожая история произошла с Фрэнком Вильчеком, который в 2012 году задумался о существовании кристаллов времени.

Фрэнк Вильчек (род. 1951) один из крупнейших физиков нашего времени, тот, кто остается не только ныне живущим, но и активно работающим много после обретения заслуженной Нобелевки за открытие асимптотической свободы в теории сильных взаимодействий (в 2004, совместно с Дэвидом Гроссом и Дэвидом Политцером). Вильчек продолжает преподавать теоретическую физику, ныне в Массачусетском технологическом институте, пишет отличный научпоп причем, я был непосредственным вдохновителем и куратором издания Тонкой физики на русском языке в 2018 году. Гибкость ума и незашоренность Вильчека поражают, поэтому я не удивлен, что именно ему в голову пришла идея о кристаллах времени, высказанная им в 2012 году. Уже в 2016 году было подтверждено существование такой материи, вернее такого состояния вещества.

Я набрел на идею кристаллов времени около полутора лет назад, размышляя о том, похожа ли на трехмерный кристалл тень невидимого четырехмерного кристалла, которую он мог бы отбрасывать в привычном нам мире. Оказалось, что открытие Вильчека связано не столько с тенями гиперкристаллов, сколько с псевдо-вечным двигателем, квантовыми вычислениями и парадоксальным нарушением временной симметрии поэтому я решил раскрыть здесь тему кристаллов времени немного подробнее.

Что такое кристалл и что такое симметрия

Еще Плиний Старший в середине I века нашей эры обращал внимание на то, что образцы тех или иных минералов обладают определенной узнаваемой формой. Альберт Великий (1193-1280), один из величайших интеллектуалов и алхимиков средневековья, указал, что снежинки являются кристаллами, то есть, что вода переходит в кристаллическую форму при замерзании. Наконец, в 1669 году был сформулирован закон постоянства кристаллов (закон Стенона и Ромэ-де-лИля): В кристаллах одного и того же вещества величина и форма граней, их взаимные расстояния и даже их число могут меняться. Однако углы между соответствующими гранями и ребрами остаются при этом постоянными.

Таким образом, на первый взгляд кристалл кажется примером спонтанно возникающей симметрии, которая отличает его от неструктурированной разнородной природы. На самом же деле все ровно наоборот: кристалл возникает в результате нарушения пространственной симметрии, когда атомы располагаются в виде решетки под действием окружающей среды. Вода более однородна, чем лед, а углерод более однороден, чем алмаз.

В привычном смысле симметрия обычно ассоциируется с балансом и гармонией. В физике и математике этот термин имеет более точное определение. Объект называется симметричным или имеющим симметрию, если существуют такие варианты его преобразования, которые могли бы изменить этот объект, но не меняют его. На первый взгляд такое определение может показаться странным или абстрактным, поэтому лучше пояснить его на примере. Рассмотрим круг. Если поворачивать круг вокруг его центра, в любом направлении, на любой угол, то визуально круг не изменится, хотя, возможно, все его точки успеют сдвинуться при таком преобразовании. Таким образом, круг обладает идеальной вращательной симметрией. Квадрат также обладает некоторой симметрией, но меньшей, чем у круга квадрат требуется повернуть на 90 градусов, чтобы он принял такое же положение, как и до поворота. Эти примеры демонстрируют, как в математической концепции симметрии заключено ее обыденное понимание, но при этом такое определение становится гораздо точнее.

Второе достоинство симметрии заключается в том, что она располагает к обобщению. Идея симметрии применима не только к геометрическим фигурам, но и к законам физики. Закон обладает симметрией, если можно изменить контекст его применения, а сам закон при этом не изменится. Например, суть специальной теории относительности заключается в том, что миром управляют одни и те же физические законы, даже если наблюдать мир с различных точек, движущихся относительно друг друга с постоянной скоростью.

В контексте кристаллов (в том числе, кристаллов времени) важны преобразования иного рода, такие, которые называются трансляциями. В то время как, согласно теории относительности, одни и те же физические законы действуют для разных наблюдателей, находящихся на движущихся платформах, пространственная трансляционная симметрия постулирует, что одни и те же законы физики действуют для наблюдателей, работающих в разных местах. Если переместить или транслировать вашу лабораторию на новое место, то убедитесь, что и там действуют привычные законы физики. То же касается и темпоральной (временной) трансляционной симметрии она в данном контексте означает, что законы физики действовали в прошлом, действуют сейчас и продолжат действовать в будущем.

Таким образом, в 2012 году Вильчек выдал занимательную идею. Он задумался: если известные нам кристаллы нарушают пространственную симметрию, то возможно ли создать кристалл, который таким же образом нарушал бы симметрию во времени.

Такому объекту была бы присуща регулярность во времени, эквивалентная пространственной регулярности обычных кристаллов. Для кристалла времени такая регулярность заключалась бы в непрерывном перещелкивании одного из его физических свойств, наподобие бесконечного сердцебиения, что сразу напоминает нам о вечном двигателе.

Всем известно, что вечного двигателя не бывает

Как известно, вечный двигатель это машина, которая может работать неограниченно долго без притока энергии извне, что запрещено законами физики. Тем не менее, на уровне квантовой физики все несколько иначе, чем на уровне классической. Например, в сверхпроводнике заряженные частицы могут двигаться неограниченно долго, но при этом они будут находиться в самом низком энергетическом состоянии, и поток их будет оставаться совершенно ровным. Соответственно, можно было бы создать и квантовую версию кристалла времени, который был бы похож на кольцо из бесконечно вращающихся атомов, проходящих целый цикл и возвращающихся в исходную конфигурацию. Свойства атомов оставались бы синхронизированы неограниченно долго, подобно тому, как соотносятся позиции атомов в пространственном кристалле. Система находилась бы в самом низком энергетическом состоянии, но для поддержания ее движения не требовалось бы никаких внешних сил. В сущности, это был бы настоящий вечный двигатель, из которого, однако, совершенно не извлекается полезная энергия.

Вильчек осознавал, что в этой картине есть изъян и действительно, в 2015 году Масаки Осикава и Харуки Ватанабэ из Токийского университета сформулировали теорему, согласно которой ни в одной системе, достигшей самого низкого энергетического состояния, формирование кристалла времени невозможно. Кроме того, было доказано, что кристалл времени не создать ни в одной системе, находящейся в равновесии.

Но у же в 2016 году группа под руководством Шиваджи Сондхи из Принстонского университета, выяснила, как исправить недоработки вильчековской концепции кристалла времени. Команда под руководством Четана Наяка, опираясь на их исследования, пришла к выводу, что кристаллы времени могут спонтанно нарушать фундаментальную симметрию времени (трансляционную темпоральную симметрию) и проявлять периодичность во времени.

Наяк с коллегами показали, что кристаллы времени могут формироваться в неравновесной системе, точнее в такой, где нарушено термическое равновесие. Такие квантовые сущности, именуемые системами Флоке, никогда не нагреваются и, соответственно, температурная характеристика к ним неприменима.

Систему Флоке можно сравнить с наполненным сосудом, к которому сверху прикреплен кубик льда, а снизу на сосуд воздействует горелка. Соответственно, на одной стороне сосуда жарко, а на другой холодно, и такая система находится не в равновесии. Стабильная температура в ней установится, как только кубик льда растает, а горелка выключится.

Физики из исследовательского центра Station Q в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре обнаружили, что в таких неравновесных системах Флоке могут возникать разнообразные состояния вещества, невозможные в равновесных системах и спонтанно нарушающие трансляционную темпоральную симметрию, то есть, образующие кристалл времени.

При этом уходя от парадокса с вечным двигателем отметим, что кристалл времени нуждается в притоке энергии извне, а также в материальной основе. То есть, нам требуется совокупность атомов, с которой мы будем работать. Мы сообщаем системе атомов энергию в виде квантовых порций, например, лазерных импульсов и наблюдаем, образуются ли в ней паттерны, периодически повторяющиеся с течением времени. При такой постановке эксперимента важно, что периодичность изменений в кристалле времени не будет совпадать с периодичностью внешних воздействий; то есть, кристалл времени должен проявлять периодические свойства безотносительно (не)периодичности воздействий лазера.

Совершенно новое состояние вещества

Норман Яо из Калифорнийского университета в Беркли, описавший потенциально возможный кристалл времени, заявил, что в данном случае речь идет о принципиально новом состоянии вещества такое вещество постоянно находится в неравновесном состоянии. Этим она отличается от таких веществ как проводники и изоляторы, состояние которых в любой момент времени равновесно. Соответственно, и свойства подобного вещества должны быть удивительны.

Опираясь на выкладки Яо, группа ученых из университета Мэриленда под руководством Кристофера Монро в 2016 году создала цепочку из 10 ионов иттербия, спины электронов в которой были запутаны и здесь мы обнаруживаем сходство кристаллов времени с кубитами, ключевой составляющей квантовых компьютеров, о чем еще поговорим ниже. Для поддержания цепочки в неравновесном состоянии, Монро с коллегами воздействовали на нее двумя источниками лазера, один из которых генерировал в системе магнитное поле, а другой переворачивал спины электронов. Поскольку все электроны были запутаны, в цепочке возникала повторяющаяся структура колебаний. При этом трансляционная темпоральная симметрия нарушалась именно так, как это должно происходить в кристалле времени изменение спина ионов происходило вдвое чаще, чем воздействие лазерных импульсов.

Меняя показатели электрического поля и периодичность лазерных импульсов, можно менять фазы кристалла времени, что эквивалентно изменению агрегатного состояния в пространственном кристалле например, переходу из твердого состояния в жидкое.

Аналогичный опыт поставила группа под руководством Михаила Дмитриевича Лукина из Гарвардского университета, но использовала не иттербий, а особые зазоры в кристаллической решетке алмаза, так называемые азотозамещенные вакансии.

Синим цветом обозначены спины электронов в азотозамещенной вакансии. Затем на систему воздействует электромагнитный импульс, и электроны вступают во взаимодействие, из-за чего узор спинов меняется. Но после следующего микроволнового импульса спины электронов в вакансии возвращаются в исходное состояние.

При кажущемся сходстве разница между экспериментами Монро и Лукина принципиальна алмаз Лукина существует при комнатной температуре, тогда как для возбуждения квантовых осцилляций в металле образец, как правило, приходится охлаждать до нанокельвинов. Кроме того, такой алмаз сравнительно легок для производства.

В 2019 году Ник Трегер из института Макса Планка (Германия) и Павел Грушецки из института Адама Мицкевича (Польша) получили кристалл времени, достигавший нескольких микрометров в размере он получился настолько крупным, что его даже удалось сфотографировать и заснять в динамике.

Этот кристалл времени был создан из магнонов, квазичастиц, ассоциированных с волной электронных спинов в магнитном материале. Магноны подобны фотонам они являются квантами магнитного поля, точно, как фотоны являются квантами света.

Трегер выбрал для эксперимента магноны, поскольку они гораздо крупнее фотонов и поддаются прямому измерению при помощи микроскопа. Кроме того, магноны можно получать при комнатной температуре

Магноновый кристалл времени Трегера и Грушецки был получен в магнитной ленте, к которой была прикреплена микроскопическая антенна, генерировавшая осциллирующее магнитное поле на основе поступавших на нее радиочастотных импульсов. В результате удалось заснять колебания, обладающие как пространственной, так и временной периодичностью.

Потенциальное практическое применение кристаллов времени

Итак, если выкладки Вильчека и Яо были чисто теоретической физикой, то кристаллы Монро, Лукина и Трегера являются типичными proof-of-concept. Путь, проделанный от умозрительной идеи в 2012 году до первого поколения реальных кристаллов в времени в 2016 году и магноновых макроскопических кристаллов в 2019 году впечатляет как бы наверняка отметил по этому поводу Галилей, Eppur si muove (И все-таки оно вертится). Разумеется, из кристаллов времени не получится вечного двигателя, но возможности их практического применения уже отлично просматриваются и касаются, прежде всего, квантовых вычислений при помощи кристаллов Лукина. Притом, какие большие ожидания связаны с квантовыми вычислениями, необходимую для них квантовую запутанность очень легко нарушить в процессе записи и считывания информации. Но в кристалле времени квантовые состояния как раз стабилизируются, поэтому можно было бы подобрать такие фазы, которые позволяли бы возвращать кристалл в исходное состояние после операции ввода или вывода и таким образом стабилизировать кубиты. Возможность такой стабилизации была доказана в 2018 году сингапурскими учеными.

Также из изысканий Лукина следует, что кристаллы времени могут стать основой для исключительно точных атомных часов и датчиков впрочем, для решения таких задач сначала требуется справиться с потенциально разрушительной декогеренцией.

Наконец, существует целое направление исследований, связанных с топологической сверхпроводимостью. Возможно, кристаллы времени позволят удерживать кристаллическую решетку в таком состоянии, в котором она будет сохранять сверхпроводящие свойства при комнатной температуре (о проблемах высокотемпературной сверхпроводимости я уже рассказывал в более ранней статье на Хабре). Подобные исследования, связанные со стабилизацией куперовских пар электронов, ведутся в Калифорнийском технологическом институте и институте Вейцмана в Израиле.

Впрочем, все эти находки могут оказаться лишь верхушкой айсберга. Во-первых, в 2020 году удалось осуществить контролируемое взаимодействие кристаллов времени, и выводы из этого открытия еще предстоит сделать. Во-вторых, Наяк и Яо продолжают разработку дискретных кристаллов времени, которые подчиняются законам классической, а не квантовой физики. Если эта работа увенчается успехом и позволит синтезировать кристаллы времени, не зависящие ни от квантовых флуктуаций, ни от декогеренции.

Мне бы очень хотелось, чтобы все это произошло при жизни Фрэнка Вильчека, и он был бы удостоен за свою идею второй Нобелевки. А затем написал бы об этом книгу. Уверен, это будет великолепная и бесконечно интересная книга.

Что это такое?

При запросе наногенератор купить гугл выдаёт интернет-магазин принадлежностей для аквариумов. наногенератор, который они продают это обычный генератор волн. Видимо, для привлечения клиентов, маркетологи выбрали приставку нано, которая сегодня стала синонимом технического прогресса. В наногенераторах, речь о которых пойдет в этой статье, приставка нано отражает размеры рабочего тела, за счет которого вырабатывается электричество.

Наногенератор это устройство, которое преобразуют механическую или тепловую энергию, производимую в результате маломасштабных физических изменений в среде(например, колебаний), в электрическую. В зависимости от того, каким образом преобразуется энергия, принято выделять три класса наногенераторов: пьезоэлектрический и трибоэлектрический преобразуют механическую энергию в электричество, а пироэлектрический тепловую.

Пьезоэлектрический наногенератор

Пьезоэлектрические наногенераторы основаны на (невероятно, но факт) пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэлектрический эффект это явление, при котором деформация тела приводит к появления электрического заряда на его поверхности. В них используются так называемые нанопроволоки - проволоки с диаметром порядка нанометра. В результате деформации этих проволок на их поверхности образуется электрический заряд: в той части, которая сжата отрицательный заряд, а на растянутой - положительный.

Из недавних разработок можно выделить IENG. IENG может выдавать максимальный пиковый ток короткого замыкания 320 мкА и соответствующую плотность тока 290 мкА/см^2, что превосходит предыдущие разработки пьезоэлектрических наногенераторов почти в два раза. Подробнее об это можно почитать здесь.

Пироэлектрический наногенератор

В таких наногенераторах используется два физических явления это возникновение в кристаллических диэлектриках поляризации при изменении температуры(свойство пироэлектриков) и эффект Зеебека. Эффект Зеебека - это появления ЭДС в на концах последовательно соединенных разнородных проводников, контакты которых имеют разную температуру. Обратный эффект называется эффект Пельтье

Обычно для получения электричества в пироэлектрических наногенераторах используется эффект Зеебека, но в среде, где температура однородна, например, на открытом воздухе, необходимо использовать свойства пироэлектриков. Отсюда и вытекает одна из особенностей пироэлектрических наногенераторов узконаправленность: где хорошо работает один тип, там работает плохо другой, и наоборот.

В целом, пироэлектрические наногенераторы характеризуются высоким напряжением, но невысокой силой тока. Первый пироэлектрический наногенератор был представлен профессором Чжун Линь Вангом из Технологического института Джорджии в 2012 году. Такие генераторы можно широко использовать не только как источники электричества, но и как датчики изменения температур.

Трибоэлектрические наногенераторы и китайский WT-TENG

Наверняка все в детстве натирали расчетку или воздушный шарик о волосы и представляли себя волшебником, поднимая кусочки бумаги в воздух. Данное волшебство объясняется трибоэлектрическим эффектом. Трибоэлектрический эффект это явление возникновения электрического заряда в результате трения. Основной недостаток таких генераторов - это необходимость держать поверхности в контакте, что является сложной задачей. К тому же само трение ведет к разрушению поверхностей. Совсем недавно, 11 марта исследователи из Китайского университета Гонконга (CUHK) сообщили о своей разработке наногенератора, основанного на трение твердой поверхности и воды WT-TENG.

Размер полученного генератора сравним со средним пальцем. Со слов исследователей, характеристики у WT-TENG следующие: 9 микрокулонов на м^3 с частотой 0.25 Гц. Ознакомиться с исследованием можно по этой ссылке.

Вот видео, демонстрирующее работу наногенератора:

Необычный способ использования трибоэлектрических наногенераторов применили Ученые из Корейского национального университета Чеджу. Они встроили их в игрушки, которые при определенных действиях(нажатие или тряска) загораются:

Эпилог

Конечно, использование таких технологий для игрушек нельзя назвать невероятным успехом. Но потенциал наногенераторов огромен: различные автономные датчики, например, GPS-трекеры для отслеживания миграции диких животных(ну или чипирование людей от Билла Гейтса) , уменьшение зависимости гаджетов от стационарных источников электричества. Возможно, увеличение КПД различных приборов за счет сбора отработанной энергии(тепло, вибрации и т.п.). В общем, есть где разгуляться.

Химия полна красочных реакций и превращений - этим она произвела неизгладимое впечатление на многих людей. Кто-то увлекается и посвящает ей дальнейшую жизнь, кто-то думает о возможной пользе. Разноцветные растворы это скорее из области химии комплексных соединений, а что насчёт наночастиц? Чем могут они удивить, какое у них внешнее великолепие? Знакомьтесь - структурный цвет!

Структурный цвет создаётся не за счёт индивидуальных свойств вещества, как то происходит у пигментов. Пигменты состоят из молекул, поглощающих определенную часть спектра, соответственно отраженные лучи имеют цвет. Другое дело окраска создаваемая структурой. Размеры структур должны быть меньше световой длины волны, что для видимой области составляет диапазон 200-600 нанометров. В этом случае, как говорит физика, свет при взаимодействии с материалом проявляет волновые свойства. Наноструктуры формуют отраженную световую волну, вырезая и приглушая какие то одни волны (цвета) и оставляя другие. К слову, Нобелевская премия 1908 года была присуждена физику Габриэлю Липпману За создание метода фотографического воспроизведения цветов на основе явления интерференции. Липпман упоминал, что в его методе цвет действительно возникает вследствие интерференции в фотопластинке без участия каких-либо красителей: он смочил эмульсию, желатин разбух и расстояния между пятнами на интерференционной картине изменились, цвета исчезли. Но стоило желатину подсохнуть, как интерференционные картины восстановились, а изображение вновь обрело цвет.

В своем изобретении Липпман использовал светочувствительный гель, образующий при облучении наночастицы серебра из его солей. Интерференция падающей и отраженной световых волн создает пучности (области с максимальной интенсивностью светового поля), в свою очередь в них больше образуется наночастиц серебра, не пропускающих свет. Так формируется световой оттиск, фотография. После того, как процесс закончится, при освещении изображение вернёт те самые краски, что были зафиксированы.

Да, вот это настоящий True Color, а не эти ваши 24 бита цвета точно такие, как и были в жизни. Подумайте вот о чем: чистый фиолетовый цвет имеет длину волны 405 нм. Пиксели в мониторе - красный, зеленый и голубой светят волнами длиннее, чем 460 нм (голубой цвет). Как же мы видим фиолетовый в экране? Кто знает, скажет - это иллюзия восприятия (метамерия), её изучили и давно используют, так что все в порядке. Фиолетовый на экране - фиолетовый. Или не совсем? Попробуйте решить сами, источники фиолетового света вполне доступны.

Еще одна особенность наночастиц, помимо структур с размерами сопоставимыми с длиной волны видимого света - плазмонный резонанс. Если частица - проводник, то она и антенна, камертон резонирующий на определенной длине волны. Если частицы рассеивают одни волны хорошо, а другие - не очень, то опять же, возникает цвет. Об этом явлении уже был пост - Мета-материалы: оптические иллюзии структурного цвета и далее я расскажу о том, как можно это явление наблюдать в сравнительно простых условиях. Однако сначала поговорим о рассеянии света.

Белая краска

Чистый белый цвет у краски, оказывается, довольно сложная технология. В составе пигмента - наночастицы диоксида титана. Это вещество высоким индексом преломления, защищенное от воздействий среды оболочкой из оксида алюминия. При создании белой краски требуется учитывать два противоречивых требования. Первое - высокий индекс преломления. Чем выше индекс, тем больше лучи случайно преломляясь на поверхности частицы рассеются. Хорошее рассеяние даёт белый цвет, при этом возрастает укрывистость краски, то есть, её способность закрыть цвет лежащей ниже поверхности. Высокий индекс преломления связан с плотностью - у плотной материи он выше. Однако, чем плотнее частицы, тем больше их вес и тем сложнее их удержать в составе краски - она норовит расслоиться из-за осаждения частиц.

Укрывистость пропорциональна эффективности рассеяния света. Для сферических частиц её можно вычислить решая уравнения Максвелла в приближении Ми. Конкретно для этого графика я использовал Mie Theory Calculator. Работает онлайн. Седиментационная устойчивость (характерное время опускания частицы под действием силы тяжести) пропорциональна:

в числителе - вязкость краски, длина пути l, в знаменателе - ускорение свободного падения g, разница плотностей пигмента и основы, d - диаметр частицы. Обычно оптимум находится в области d~100 нм.

Частицы не одинаково рассеивают все волны спектра, в чем можно убедиться с помощью упомянутого онлайн-калькулятора. Возьмем мелкую каплю белых чернил и разведем её до прозрачности.

В зависимости от угла мы видим разный цвет! Это связано с тем, что короткие волны рассеиваются сильнее, чем длинные. Тем самым, на просвет получается, что остаётся длинноволновая часть спектра (белый цвет минус синий = желтый). Это мы видим эффект опалесценции, в нашем случае - рэлеевское рассеяние.

Желтоватый оттенок исправляют с помощью оптической синьки. Да, для отбеливания вещей в стиральный порошок и моющие средства добавляют толику синего красителя. В случае с белой офисной бумагой поступают еще интереснее - туда добавляют вещество флюоресцирующее синим светом.

Цвета опалесценции

Случилось так, что у меня оказались в руках частицы полистирольного латекса в воде. Довольно большие, 1.5 мкм в диаметре, но тем не менее, интересная штука. Коллоид на просвет имел сине-серый цвет и я подумал, почему бы не записать его спектр и промоделировать её по теории Ми? Заодно вышло попробовать новый язык численного моделирования, Julia.

Нужный модуль штатно подсоединяется к набору пакетов Julia:

pkg> add https://github.com/dronir/MieScatter.jl

using MieScatterconst nm = 0.001const n = 1000 particle_area = *(1.0nm)^2x = size_parameter(1.0nm, 400nm) S, Qsca, Qext, Qback = compute_mie(x, 2.0, [0.0])_sc_mie = Qsca*particle_area Qsca_rayleigh(, , m) = 2/3*^2*^6*((m^2 - 1)/(m^2 + 2))^2_sc_ray = Qsca_rayleigh(400nm, x, 2.0)

ОК, так я проверил корректность работы - рассеяние Ми переходит в предельном случае в рассеяние Рэлея.

using MieScatter# индексы преломления воды и полистирола # взяты с https://refractiveindex.info/ref_indx_core() = sqrt(1 + 1.4435^2/(^2 - 0.020216))ref_indx_medium() = sqrt(1.46659 + 0.293555*^2/(^2-0.0155008)) # 1.3378 const nm = 0.001const n = 1000 const r_NP = 1500nm/2 s0 = LinRange(250nm, 1000nm, n) s  = s0 ./ ref_indx_medium.(s0)xs  = size_parameter.(r_NP, s) Qexts = zeros(n) for i=1:n      n_rel = ref_indx_core(s0[i])/ref_indx_medium(s0[i])      S, Qscas, Qexts[i], Qback = compute_mie(xs[i], n_rel, [0.0])end using Printffor i=1:n       Printf.@printf("%f %f\n",s0[i]/nm, Qexts[i])end

Результат просто вывел в файл и сопоставил со спектром. Фиолетовая кривая наш расчёт, бирюзовая экспериментальный спектр.

Плазмонный резонанс + опалесценция

Металлические наночастицы это наиболее богатый случай, там может быть всё. Рассеяние и упомянутый выше плазмонный резонанс. Золотые наночастицы могут быть всех цветов, но проще всего получить наночастицы 1-3 нм малинового цвета. С их помощью в древности изготавливали удивительные по красоте вещи, такие как кубок Ликурга, или золотой рубин (Cranberry glass or 'Gold Ruby'). Сейчас, когда этот процесс хорошо изучен, сделать аналог совсем не сложно. Нужно смешать коллоидное золото с керамической фритой и обжечь.

А что если сделать наночастицы металлической меди? Синтез не сложный. Медный купорос, щелочь, глюкоза, соляная кислота и аскорбиновая.

Вот что получилось, когда наночастицы были перенесены в бутилгликольацетат.

На просвет - синий раствор, а если посветить на кювету - оказывается, розовый! Вот такие чудеса.

Заключение

Время покажет, останется ли эта игра цветов наночастиц просто игрой, или же появятся новые рефлективные дисплеи, устойчивые к выгоранию на солнце краски и особые защитные метки. Классно, когда химия такая красивая и увлекательная! Напоследок, прикреплю арт-объект со страницы художницы Kate Nichols. Спойлер: это серебряные наночастицы )

Исландская компания Nanom разработала технологию, которая может сделать аккумуляторы более безопасными и эффективными за счет наночастиц.

Стартап планирует повысить плотность энергии литий-ионных и железо-никелевых батарей, сохранив их стандартные размеры. Таким образом, электрокары с аккумуляторами Nanom теоритически смогут доехать из Москвы до Омска на одном заряде.

Процесс превращения начинается с частиц микронного размера. Они проходят через ускоритель частиц и разбиваются на наночастицы. Затем наночастицы попадают в то, что компания называет кузницей, где газы обрабатывают поверхность частиц. Этот процесс может производить наночастицы размером от 1000 до 100 нанометров, говорит Дэйв Таннер, старший технолог Nanom.

Компания не планирует самостоятельно производить такие аккумуляторы, так как технология легко может быть интегрирована в работу современных производственных линий без необходимости в модернизации оборудования полученные наночастицы просто смешиваются с суспензией для покрытия электродов.

По словам генерального директора Nanom Арманна Койича, использование наночастиц вместо типичных частиц микронного размера сделает аккумуляторы безопаснее риск их воспламенения снижается в несколько раз.

Одна из главных проблем литий-ионных аккумуляторов заключается в том, что электроды неоднородны, потому что нет хорошего распределения частиц в материалах, но зато есть области высокого и низкого сопротивления. Простыми словами, есть неравномерно горячие участки, из-за которых аккумулятор повреждается. Повреждение может вызвать короткое замыкание или воспламенение лития, а также привести к тому, что аккумулятор станет настолько горячим, что растворитель испарится и разрушит аккумулятор с выделением легковоспламеняющихся газов.

По словам Таннера, многие люди работают над решением этой проблемы, но для производства наночастиц они используют химические методы, включая травление. Ученый полагает, что такой подход нерентабелен. Механический метод Nanom дешевле и эффективнее.

Помимо повышения безопасности, использование наночастиц значительно увеличит плотность энергии и срок службы аккумуляторов. Меньшие частицы означают большую площадь поверхности, лучшую пористость и лучшую проводимость для того же количества материала. По словам Койича, повышенная плотность энергии позволит производителям выбирать химический состав аккумуляторов, который будет более безопасным и, возможно, более экологически чистым, чем те, что используются сегодня.