ДНК-робот и космические лекарства: 6 поразительных российских разработок в октябре 2022
В октябре российские учёные придумали, как перенести производство лекарств на МКС, улучшили катодные материалы для увеличения ёмкости литий-ионных батарей, создали ДНК-роботов для обнаружения вирусов с высокой точностью в домашних условиях, а также 3D-структуру для эффективного отвода тепла в микроэлектронике. Об этих и других достижениях отечественной науки далее в статье.
💡 Это материал из цикла «Сделано в России 🇷🇺», в котором описываются главные отечественные изобретения, а также важные события в различных областях науки и промышленности России.
Придумали, как перенести производство лекарств с Земли в космос
💡 Простыми словами
На самом деле современная медицина уже давно использует космическое пространство. К примеру, для разработки передовых лекарств от таких болезней, как рак или мышечная дистрофия, необходимо выращивать особые кристаллы белков. Из-за действия гравитации на Земле это сделать невозможно. Поэтому данные кристаллы выращивают на Международной космической станции. Однако у культивирования кристаллов на МКС тоже есть свои недостатки. Станция также обладает малым гравитационным полем, постоянно «вибрирует» и находится в вакууме, что мешает верно рассеиваться колебаниям. Для того, чтобы подавить вышеперечисленные вредные явления при производстве кристаллов белка, учёные Пермского Политеха создали математическую модель и определили необходимые параметры.
👨🔬 Детально
Оказалось, что в условиях невесомости для течения жидкости, из которой впоследствии выращиваются кристаллы, лучше использовать закрытый сосуд, чтобы жидкость не расплескивалась и находилась в состоянии покоя. Учёные взяли за основу вакуумную квадратную полость, находящуюся под действием постоянного гравитационного поля. Проведя исследование виброгравитационной конвекции (вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передается потоками самого вещества) в квадратной полости, они получили возможность контролировать структуру течения жидкости и задавать её движение внутри квадрата.
Кроме того, можно подобрать параметры так, чтобы течение жидкости внутри полости почти остановилось. Таким образом, ничего не будет препятствовать выращиванию белковых кристаллов. Теперь в космосе можно разворачивать более обширное производство. При этом, при увеличении размеров станции, увеличивается и гравитационное поле и вибрация, но это уже не будет влиять на выращивание кристаллов. Разработка выполнена в рамках программы академического стратегического лидерства «Приоритет 2030».
Улучшили катодный материал, чтобы повысить пробег электрокаров на одной зарядке
💡 Простыми словами
На сегодняшний день именно несовершенство катодных материалов ограничивает развитие электротранспорта на литий-ионных аккумуляторах. Учёные из Сколтеха разработали инновационный материал для катодов, который благодаря повышенной удельной энергоёмкости сделает батареи компактнее. Это значит, что электромобиль с батареей того же размера получит больший запас хода. По словам учёных, им удалось добиться увеличения удельной энергоёмкости на 10-25%. Приятным дополнением является то, что новый материал медленнее деградирует, что повышает срок службы катода.
👨🔬 Детально
Первоначально в катоды изготавливали из слоистых оксидов лития и кобальта (LiCoO2). В современных батареях значительную часть атомов кобальта замещают никель и марганец. Два самых популярных материала сегодня — это NMC811 и NMC622. Их названия отражают соотношение элементов (например, восемь атомов никеля на один атом марганца и один атом кобальта). Они представляют собой порошкообразные поликристаллические материалы: в них каждая частица состоит из случайным образом ориентированных зёрен. Кристаллическая структура самих зёрен близка к идеальной, но на стыках между ними образуются полости. Существуют также монокристаллических NMC без полостей, у которых одна частица порошка соответствует одному «зерну» и имеет, как правило, форму октаэдра.
Исследователи из Сколтеха сохранили химический состав материалов, но улучшили их микроструктуру. Им удалось получить монокристаллический NMC со сферическими частицами. У этого материала нет пустот, присутствующих в поликристаллических структурах, а благодаря сфероподобной форме данные монокристаллы упаковываются плотнее, чем октаэдры. Помимо повышения плотности, сферическая форма кристаллов уменьшает площадь соприкосновения катода с электролитом, что замедляет нежелательные процессы, которые со временем ведут к формированию трещин в материале катода и его постепенному разрушению, что увеличивает срок службы материала и самой батареи.
Добиться подобного результата учёным удалось за счёт корректировки процедуры синтеза материала. Сначала берут вещество, в котором равномерно распределены никель, марганец и кобальт. Далее добавляют туда гидроксид или иной источник лития. Однако перед высокотемпературным отжигом, учёные Сколтеха решили добавить к веществу инертную соль с низкой температурой плавления. В зависимости от количества и химического состава инертной соли меняется геометрия частиц оксида. Правильно подобранные пропорции позволили получить сферическую форму. Затем следует промывка от соли и повторный отжиг, чтобы избавиться от продуктов нежелательных реакций с водой.
Создали 3D-нанокомпозит для эффективного отвода тепла в электронике
💡 Простыми словами
Сейчас человечество переживает стремительное развитие электронных технологий. Компьютеры уже помещаются буквально на руке в виде часов и прочей носимой электроники. Однако с миниатюризацией устройств уменьшается и их внутренний объем для размещения рабочих компонентов, что приводит к нарушению процессов отвода тепла и не позволяет использовать большие традиционные элементы. Для решения данной проблемы применяют ряд пленочных материалов. Однако большинство из них отводят тепло только лишь в плоскости плёнки, что может создавать тепловые помехи для работы соседних компонентов устройства. Ученые Сколтеха нашли решение этой проблемы, создав 3D-нанокомпозит с высокими показателями теплопроводности в плоскости и из плоскости пленки материала, а также с высоким удельным электрическим сопротивлением (защита от коротких замыканий) и высокой гидрофобностью (защита от влаги).
👨🔬 Детально
Тепловые каналы композита были выполнены из поливинилового спирта (ПВС) с наполнителем из аэрогеля нитрида бора (BN). Чтобы обеспечить быстрый отвод тепла, а также эффективный перенос фононов в сегрегированном тепловом канале, учёным нужно было добиться четкой структуризации и выстраивания связей между полимером и строго ориентированным BN на наноуровне. Аэрогель — это материал с 3D-структурой, который имеет низкую плотность, высокую теплопроводность, легкий вес и изменяемый химический состав поверхности. Именно благодаря ему полученная композитная система прекрасно справляется с задачей управления температурой. Кроме того, прототипы плёнок, изготовленные по новой технологии, демонстрируют высокую гибкость, надёжность структуры, обладают хорошей электроизоляционной способностью и высокой гидрофобностью.
Обнаружили новый тип космических объектов — всплески-сироты
💡 Простыми словами
В ходе регулярного обзора неба один из роботов-телескопов сети МАСТЕР, созданный в МГУ и расположенный в Аргентине, случайно снял новый звездообразный объект, который быстро разгорался и на месте которого ранее ничего не значилось. Через несколько часов этот объект попал в поле зрения американского 48-дюймового телескопа Цвикки, но он не разгорался, а наоборот — уже затухал. Таким образом, пик всплеска приходился на время между последним кадром, полученным телескопами МАСТЕР, и первым кадром проекта Цвикки. Проанализировав все данные, учёные поняли, что этот гамма-всплеск принадлежит к новому классу объектов, которые назвали всплесками-сиротами, то есть всплесками, не связанными ни с какими другими объектами.
👨🔬 Детально
Изучив особенности «разгорания» и «затухания» заснятого гамма-всплеска, учёные установили, что это оптическое свечение есть плавное и одновременно немонотонное, синхротронное излучение ударной волны, порожденной в процессе образования аномально быстро вращающейся чёрной дыры. О синхротронной природе излучения свидетельствует кривая блеска, создаваемого ультрарелятивистской ударной волной в сжатом межзвездном газе или в звездном ветре звезды-предка. Затухающий участок кривой определяется временем остывания релятивистских электронов и степенным падением плотности среды. По словам профессора МГУ Владимира Липунова, это своеобразный сигнал SOS, посланный погибающей звездой на другом конце Вселенной. Новые наблюдения также натолкнули учёных на мысли о том, сколько ещё различных всплесков упускают из вида современные гамма-обсерватории.
Разработали ДНК-робота для обнаружения вирусов
💡 Простыми словами
Несмотря на то, что тест ПЦР (полимеразная цепная реакция) — это один из самых чувствительных методов молекулярной диагностики инфекционных заболеваний, он также имеет ограничения. К примеру, анализ образцов можно проводить только в лабораторных условиях с применением дорогостоящего оборудования и компонентов. А как же экспресс-тесты, которые можно купить в аптеках и даже супермаркетах? Наверняка, многие люди уже и сами сталкивались с тем, что это очень низкочувствительные подделки настоящих ПЦР-тестов.
Ученые химико-биологического кластера ИТМО решили разработать нечто подобное аптечным тестам, не требующее использования дорогих реагентов, сложного оборудования и обученного персонала, но при этом такое же точное, как ПЦР. Для решения данной задачи был создан высокочувствительный наноробот из молекул ДНК, способный быстро обнаруживать наличие возбудителей болезней в образцах, например, взятых со стенок носа. Его эффективность проверена на COVID-19, но в перспективе ДНК-роботы могут быть адаптированы для выявления и других вирусов. Следующим этапом проекта станет преобразование данного метода в удобную тест-систему для домашнего использования.
👨🔬 Детально
В составе робота 215 нуклеотидов (элементарные структурные единицы ДНК и РНК). Также к нему подсоединены четыре специальных «рычага», которые учёные называют «руками». Для анализа образца на наличие инфекции, в него добавляют раствор с ДНК-системой, а также специальное вещество, способное светиться (флуоресцентный субстрат), которое позволит визуализировать результат. Чтобы определить вирусную РНК, ДНК-робот приближается к искомой нуклеиновой кислоте, разворачивает ее своими «руками» и прикрепляется к ней. РНК имеет сложную свернутую структуру, поэтому роботы имеют четыре «руки», чтобы точнее и быстрее производить «захват». После этого активируются процессы расщепления субстрата, завершение которых можно отследить с помощью спектрометра по появлению флуоресцентного сигнала (холодному световому излучению). Соответственно, если образец будет без РНК вируса, реакции и сигнала не будет, что защищает от ложноположительных результатов. При этом робот может обнаружить вирус, даже если он присутствует в малом количестве.
Посмотрели на Млечный путь со стороны благодаря межзвездной пыли
💡 Простыми словами
Невозможно увидеть полную структуру нашей Галактики с Земли, так как мы находимся внутри неё. Соответственно, нужно каким-то образом получить изображения Млечного Пути извне. Астрофизики научились использовать радиоизображения, получаемые от далеких галактик, в качестве своеобразных «фотографий». Однако такие изображения получаются «нечёткими» из-за того, что радиоизлучение рассеивается, когда проходит через облака пыли и газа, заполняющие всё пространство между звёздами в нашей Галактике. Российские учёные решили разобраться с данной проблемой и сформировали наиболее полную на сегодняшний день карту распределения крупномасштабных рассеивающих экранов в межзвездной среде Млечного Пути. Оказалось, что они концентрируются к плоскости Галактики в направлениях на её центр, а также в области вспышек сверхновых (сильнейших взрывов на финальных стадиях эволюции звёзд). Данная карта позволит учёным учитывать помехи и получать более чёткие изображения.
👨🔬 Детально
Межзвёздная среда может обладать высокой турбулентностью, вызванной взрывными процессами в результате эволюции звезд в Галактике, а также влиянию космических лучей. Прохождение радиоволн через турбулентную плазму приводит к рассеянию излучения и, как следствие, к искажению изображения источника. Изучение эффектов рассеяния радиоволн позволяет восстанавливать истинное изображение далеких космических объектов. В качестве просвечивающих маяков традиционно использовали пульсары нашей звездной системы из-за их крайне малых размеров, всего около 10 км в диаметре. Но квазары более многочисленны, и вдобавок их излучение проходит через всю глубину Галактики. По тому, как меняется их излучение, учёные понимают состав и расположение межзвездной среды.