От геля-сапёра до цифрового гербария. Пять достижений учёных МГУ в 2018 году

От геля-сапёра до цифрового гербария. Пять достижений учёных МГУ в 2018 году

Из более чем сотни научных достижений, совершенных в уходящем году при участии исследователей МГУ, трудно выбрать самые важные — тем более, истинную важность той или иной работы покажет время. «Татьянин день» рассказывает о пяти работах, которые показались нам наиболее интересными.

Гель-сапёр засветит взрывчатку

Летом уходящего года появилась новость о созданном в МГУ материале, способном светиться в присутствии взрывчатых веществ. Он был создан сотрудниками химического факультета МГУ в сотрудничестве с исследователями Института общей химии РАН. Сообщение о новом материале публиковано в июльском номере журнала Microporous and Mesoporous Materials.

Созданный под руководством профессора МГУ Леонида Кустова материал представляет собой гель, относящийся к классу так называемых гибридных наноматериалов — особых металл-органических гелей со сложной пористой структурой. Основой для его синтеза послужили ионы железа и нафталиндикарбоновая кислота, которая в конечном итоге и сделала вещество особо чувствительным к наличию взрывчатки.

Механизм действия здесь довольно прост — через гель пропускают воздух, и в его порах размером от единиц до нескольких десятков нанометров застревает часть «гостевых» органических молекул. При этом люминесцентные свойства геля меняются за счет поглощения новыми молекулами ультрафиолетового излучения. 

По интенсивности инициированного «гостями» свечения ученые научились вычислять их структуру. Выяснилось при этом, что молекулы толуола, застревая в порах геля, усиливают его свечение почти на 900%, тогда как прочие органические молекулы способны повышать интенсивность излучения не более чем на 200%. Ученые объясняют эту избирательность высоким сходством в строении толуола и нафталиндикарбоновой кислоты. Учуяв «родственную душу», гель откликается чем-то вроде люминесцентного резонанса. 

Один из авторов работы, старший научный сотрудник химического факультета МГУ Валерий Захаров, подчеркивает, что «анализаторы на основе синтезированного геля смогут детектировать взрывчатые вещества, реагируя не только не только на молекулы толуола, но и других ароматических соединений». Он объясняет это тем, что высокоэнергетические ароматические соединения наподобие толуола очень часто используются как основа взрывчатых веществ, и на их присутствие новый гель реагирует так же энергично.

Сине-зелёные водоросли сдались хакерам

Объединенная группа «биологических хакеров» — молекулярных биологов из МГУ и Института химии при Берлинском техническом университете — сумела взломать систему безопасности цианобактерий (они также известны как сине-зеленые водоросли), защищающую их от слишком яркого света, радикально повысив скорость работы фотосинтеза и набора биомассы. Суть открытия и возможные варианты его применения представлены в сентябрьском номере журнала Nature Communications.

Есть два ключевых белка, которые участвуют в процессе защиты от излишне яркого света — ОСР и FRP. Один из соавторов проекта, ведущий научный сотрудник кафедры биофизики биологического факультета МГУ Евгений Максимов, называет главный из этих белков, OCP, «уникальной модульной конструкцией, способной выполнять различные функции в клетке — от переноса гидрофобных молекул антиоксидантов и до превращения квантов света в тепло». Именно это последнее свойство ОСР использует для защиты от перегрева. При слишком ярком свете он меняет структуру, начинает поглощать фотоны, превращая их энергию в тепло и снижая скорость фотосинтеза. Когда жара спадает, белки возвращаются в нормальное состояние, но далеко не сразу, что заметно понижает эффективность фотосинтеза. В целом, как показывают расчеты ученых, этот «безопасный режим» снижает максимальную эффективность растений, растущих в средней полосе США или России, на 25-30%.

Работающий в паре с ОСР белок FRP ускоряет его переход в исходное состояние. Максимов и его коллеги проследили за взаимодействиями «активированной» формы OCP и различных версий FRP, выделенных из клеток нескольких видов цианобактерий. Они нагревали клетки до высоких или низких температур и подсвечивали их большими или малыми порциями света. Выяснив, как именно соединяются эти белки, ученые создали несколько мутантных версий FRP, «запретив» его молекулам распадаться на половины, неспособные нормально прикрепляться и взаимодействовать с OCP. Подобные версии FRP, по словам Максимова и его коллег, значительно ускорили работу фотосинтетических систем микроба и заставили их расти быстрее.

Хамелеоны теперь синтетические

Международная группа исследователей с участием физиков МГУ заявила о создании аналога кожи хамелеона, а если точней, о создании так называемого средства активного камуфляжа, позволяющего материалу в ответ на механические воздействия реагировать изменением прочностных свойств и цвета. Сообщение об этом появилось в мартовском номере журнала Science.

Учёные давно пытаются создать материалы, обладающие такими свойствами, однако у разработанных к настоящему времени полимеров изменение механических характеристик при деформации происходит на порядки слабее, чем у живых тканей. А уж о том, чтобы изготовить материал, совмещающий способность сильного упрочнения при растяжении и изменения цвета, до сих пор даже и не мечтали. Теперь такой материал есть.

В основе разработки учёных — так называемые сополимеры, то есть полимеры, которые составлены из нескольких разных частей. Но, по словам руководителя проекта Дмитрия Иванова, созданный авторами статьи сополимер существенно отличается от обычных, линейных. Новая макромолекула больше напоминает гантель с ворсистой рукояткой. В центре конструкции находится элемент с множеством ответвлений, похожий на ёршик для чистки бутылок, из-за чего этот элемент принято называть «щёткой». Особенность такой молекулярной щётки, в своё время разработанной в США, заключается в том, что она обладает достаточной жёсткостью. Материал, состоящий из этих щёток, изначально вполне эластичный, но при деформации может очень быстро упрочняться.

Вдобавок такая «гантель» может менять свой цвет. Наноразмерные «стеклянные шарики» на концах молекулы создают условия для дифракции видимого света и придающие материалу определенный колер. При физической нагрузке (растяжении или сжатии) условия дифракции меняются и, соответственно, меняется цвет материала — от голубоватого до светло-зеленого. И самое главное — новые сополимеры впервые смогли приблизиться к живым тканям по степени реакции на механические нагрузки.

— Наши материалы, — говорит Иванов, — можно программировать в широком диапазоне механических и цветовых характеристик, достаточно задать необходимые структурные параметры молекулярных «щёток». Этот подход аналогичен кодированию нашей наследственной информации в цепочках ДНК.

Магнитный волновод отсортирует нейтроны

Международная группа исследователей с участием сотрудников входящего в МГУ НИИ ядерной физики имени Д. В. Скобельцина заявыла о создании магнитного волновода, способного отсортировывать нейтроны с различными квантовыми характеристиками и удерживать их в разных слоях. Сообщение об этом опубликовано в октябрьском номере журнала Physical Review B.

В самом общем смысле слова нейтронный волновод представляет собой две отражающих стенки, между которыми находится слой, прозрачный для нейтронов. В эксперименте исследователи решили использовать в качестве отражающих стенок не само вещество, а его магнитное поле. Дело в том, что нейтрон, как и электрон, имеет свой магнитный момент, называемый спином, который позволяет ему отражаться от магнитного поля. Отражающая способность будет зависеть от направления спина нейтрона: для нейтронов со спином вверх она выше, чем для нейтронов со спином вниз. Основываясь на этом эффекте, группа исследователей создала волновод на магнитном отражении. На непроницаемую для нейтронов подложку нанесли три слоя из похожих материалов. Второй слой имеет магнитный элемент сверху, что повышает его отражающую способность для нейтронов со спином вверх и понижает ее для нейтронов со спином вниз. Таким образом, для разных частиц хорошо проницаемыми оказываются разные слои: нейтроны со спином вниз запираются в магнитном слое, а со спином вверх — в немагнитном.

«Мы испытали чистый детский восторг от того, что нам удалось отсортировать и запереть нейтроны с разным спином. Кроме того, мы планируем использовать данный эффект для вполне конкретных исследований в области спинтроники (прикладные исследования на стыке физики, химии и материаловедения — «ТД»), включая такие ее новые направления, как оксидная и сверхпроводящая», — рассказал научный сотрудник НИИЯФ МГУ, кандидат физико-математических наук Юрий Хайдуков.

Пучки нейтронов для исследования получены на Мюнхенском исследовательском реакторе. Исследования проводились совместно с коллегами из Института физики твердого тела имени Макса Планка, исследователями из филиала Общества Макса Планка в Центре Хайнца Майера-Лейбница, Института радиотехники и электроники имени К.А. Котельникова РАН и сотрудниками кафедры микротехнологии и нанонауки Технического университета Чалмерса.

Цифровой гербарий готов!

И наконец, в этом году закончилась тяжелая четырехлетняя эпопея по оцифровке коллекции гербария МГУ. Работы проводились силами сотрудников гербария и волонтеров в рамках научного мегапроекта МГУ «Ноев ковчег». Всего с 18 апреля 2015 года было дигитализировано более миллиона образцов.

В ходе оцифровки каждый из них вынули из шкафов фондового хранилища, снабдили штрихкодом-идентификатором, отсканировали и возвратили на место. Для гербария также создали специальный интернет-портал, на котором любой пользователь может найти все отсканированные изображения.

В прошлом году мы уже знакомили читателей с оцифрованной коллекцией. Сейчас эта работа завершена окончательно. Разумеется, в том смысле, что в цифру перешли все существующие образцы гербария, но поскольку он постоянно пополняется (примерно на 15-20 тысяч образцов в год), дигитализация продолжится.

— За последние три года в фонды гербария Московского университета были целиком переданы небольшие коллекции лаборатории устойчивости лесных экосистем Костромского университета, Бадхызского заповедника, Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН. Постепенное включение небольших коллекций в научный оборот крупных учреждений — общемировой тренд. Мы рады, что именно гербарий МГУ является центром притяжения для таких гербариев, — рассказал руководитель работ, ведущий научный сотрудник биологического факультета МГУ Алексей Серёгин.