Химия: квантовые нанокристаллы (Нобель наш?)

Нобелевская премия по химии присуждена трем ученым из США Алексею Екимову, Moungi Bavendi (М. Бавенди) и Louis Brus (Л. Брус) за работы по квантовым нанокристаллам. Квантовые нанокристаллы («квантовые точки») имеют ряд уникальных свойств, которые проявляются только на микроуровне. Поглощаемый и испускаемый атомом свет подчиняется законам квантовой механики и сопровождается переходом электрона на более высокий или менее высокий энергетический уровень. Эти процессы приводят соответственно к поглощению или испусканию кванта света (фотона) определенной длины волны, т.е. определенного цвета. Однако если атом сжать, то орбиты электронов вокруг ядра искажаются, и как следствие, цвет поглощаемых и испускаемых фотонов меняется. Этот эффект наблюдается только на микроуровне у атомов, сжатых кристаллической решеткой твердой или коллоидной среды. Причина в том, что сжатие увеличивает отношение поверхности атома к его объему в соответствии с известным правилом геометрии 1/R, где R диаметр атома. Поверхностные ограничения у сжатого атома меняют параметры энергетических переходов электронов и, соответственно, цвет поглощаемых и испускаемых фотонов. Вообще, физики любят термин «цвет» и используют его, в частности, для различения кварков (красные, зеленые и синие). Но цвета света, испускаемого квантовыми точками, хорошо нам знакомы и могут регулироваться в видимом диапазоне. Впервые это явление было описано в Советском Союзе Екимовым и Онушченко более 40 лет назад для микроскопических кристаллов CuCl, выращенных до размеров нескольких десятков ангстрем в прозрачной диэлектрической среде (1). Это наблюдение явилось основанием для присуждение нобелевской премии Алексею Екимову. Позже Л. Брус с коллегами получили полупроводниковые квантовые нанокристаллы с CdS (2). Значительную роль в разработке технологии получения квантовых нанокристаллов на лабораторном уровне сыграла группа М. Бавенди (3). Открытие было сделано в нашей стране. Однако в конце 90-х годов прошлого века Екимов иммигрировал и в настоящее время работает в США. Два других нобелевских лауреата, разделившие с Екимовым премию, также работают в США. Таким образом премия присуждена американским ученым, и ответ на риторический вопрос в заголовке этой заметки является отрицательным. Следует отметить, что вручение нобелевской премии российскому ученому в эмиграции не является уникальным событием. В 2003 г. нобелевская премия по физике была присуждена физику- теоретику А. Абрикосову, иммигрировавшему и работавшему в то время в США. В текущем году разразился скандал после приглашения российского и белорусского послов на церемонию вручения нобелевской премии. Это приглашение отозвали после протестов в Швеции и в нескольких других странах. Комментарий нобелевского комитета на эту вынужденную меру был исполнен достоинства – национальность ученого не имеет значения. Возвращаясь к нанокристаллам следует отметить, что особый интерес и широкие перспективы практического использования представляют нанокристаллы (quantum dots (QDs) – «квантовые точки») с атомами полупроводников, сформированные на поверхности кристаллических субстратов. Полупроводниками являются химические элементы (бор B, углерод C, германий Ge, кремний Si, селен Se, сера S, сурьма Sb, теллур Te, мышьяк As и йод I) и многочисленные сплавы и химические соединения (арсенид галлия и др.). Разработка промышленной технологии получения полупроводниковых нанокристаллов на различных субстратах может революционизировать целые области науки и техники путем создания биосенсоров, суперкомпьютеров, жидкокристаллических экранов, лазеров, солнечных батарей и других приборов. Рисунок из обзора в Science, посвященного современному состоянию исследований полупроводящих квантовых точек (4), иллюстрирует возможные области применения полупроводниковых квантовых нанокристаллов (рис. 1). Из списка авторов этого обзора можно видеть, что иммигранты из России по-прежнему занимают лидирующие позиции в исследованиях полупроводниковых квантовых точек.

Рис. 1. Перспективные технологии использования полупроводниковых квантовых точек (QDs).

Квантовые точки позволяют в широких пределах регулировать оптические, электрические, химические и физические свойста нанокристаллов. Это позволяет примененять их для накопления энергии, освещения, в дисплеях, камерах, сенсорах, технологиях связи и передачи информации, биологии и медицине. Эти наноструктуры могут быть использованы для создания мощных лазеров, накопителей солнечной энергии и для избирательного мечения биологических структур.

В заключение следует отметить, что квантовые точки используются отечественными исследователями в качестве биосенсоров (5), и это направление, по-видимому, будет развиваться. Перспективы практического использования полупроводниковых квантовых точек трудно переоценить. Правильный выбор полупроводника и кристаллической подложки позволяет получить компактные и эффективные приборы с поглощением и эмиссией света практически для любой длины волны света в видимом диапазоне, т.е. для любого цвета.

Биология и медицина: мРНК-вакцины

Нобелевскую премию получили двое ученых из США, биохимик Katalin Kariko’ (К. Карико’) и иммунолог Drew Weissman (Д. Вейссман) за разработку технологии производства вакцин на основе мРНК. Особенность этого метода в том, что в клетки доставляется не вирусный белок, носитель антигенов, как в традиционных вакцинах, а мРНК, кодирующая вирусный белок. Продукция вирусных антигенов обеспечивается трансляцией мРНК на рибосомах клетки-хозяина. Метод оказался весьма эффективен и позволяет в течение нескольких недель производить мРНК вакцины в промышленных масштабах. Он был с успехом использован в США и странах Западной Европы во время пандемии вируса SARS-CoV-2 в 2020-2022. мРНК вакцины, произведенные компаниями Pfizer, Moderna и BioNTech, по оценке специалистов спасли миллионы жизней. Путь К. Карико’ к Нобелевской премии был совсем не прост. Она начинала свои исследования в Университете города Сегед в Венгрии и в продолжении длительного периода её идеи не получали должной поддержки у коллег, что сказалось на карьерном росте. После иммиграции в США К. Карико’ нашла единомышленника в лице Д. Вейссмана и совместными усилиями они довели идею о мРНК вакцинах до практической реализации. Основная проблема была в том, чужеродная мРНК в клетках разрушается в течение нескольких минут и вызывает нежелательные побочные эффекты воспалительного характера. Решение было найдено в замене обычных оснований в мРНК на модифицированные. Примером может служить замена нуклеотида уридин на псевдоуридин (6). Такая модифицированная мРНК оказалась устойчива к действию клеточных гидролитических систем и эффективно транслируется, что обеспечило конечный успех всего проекта. мРНК вакцины дают в руки медиков новые эффективные средства для лечения вирусных заболеваний. Нужная мРНК может быть синтезирована в течение нескольких дней, а вакцина наработана в промышленном масштабе в течение нескольких недель. Таким образом появляется возможность оперативно реагировать на вспышки вирусных инфекционных заболеваний и появление новых ранее неизвестных вирусов. Технология мРНК вакцин дает возможность бороться и с хорошо известными латентными вирусами. В течение полувека не удавалось создать вакцину против цитомегаловируса (CMV). В настоящее время мРНК вакцина против CMV от компании Moderna проходит третью фазу клинических испытаний. Открываются возможности для эффективной персонализированной противораковой терапии. Быстрое мутирование генома злокачественных клеток снижает эффективность традиционной антираковой терапии. Доставка в раковые клетки антигенов мутировавших белков с помощью мРНК вакцин может решить проблему. Вручение Нобелевской премии К. Карико’ и Д. Вейссману отражает признание их заслуг в успешной борьбе человечества против пандемии COVID-19. Для К. Карико’ это дополнительно высокая оценка верности ученого научной идее и настойчивости в её реализации.

Список использованной литературы:

A. I. Ekimov and A. A. Onushchenko, “Quantum Size Effect in Three-Dimensional Microscopic Semiconductor Crystals,” Jounal of Experimental and Theoretical Physics Letters, Vol. 34, 1981, pp. 345- 349. (цитирована 911 раз)

R. Rossetti, S. Nakahara, L. E. Brus, Quantum size effects in the redox potentials, resonance Raman spectra, and electronic spectra of CdS crystallites in aqueous solution. J. Chem. Phys. 79, 1086–1088 (1983). DOI: 10.1063/1.445834

C. B. Murray, C. R. Kagan, M. G. Bawendi, Self-organization of CdSe nanocrystallites into three- dimensional quantum dot superlattices. Science 270, 1335–1338 (1995). DOI: 10.1126/science.270.5240.1335

F. Pelayo García de Arquer, Dmitri V. Talapin, Victor I. Klimov, Yasuhiko Arakawa, Manfred Bayer, Edward H. Sargent. Semiconductor quantum dots: Technological progress and future challenges. Science 373, eaaz8541 (2021). DOI: 10.1126/science.aaz8541

Aliaksandra Rakovich, Alyona Sukhanova, Nicolas Bouchonville, Evgeniy Lukashev, Vladimir Oleinikov, et. al.. (2010). Resonance Energy Transfer Improves the Biological Function of Bacteriorhodopsin within a Hybrid Material Built from Purple Membranes and Semiconductor Quantum Dots. Nano Lett. 10, 2640- 2648.

Karikó, K., Muramatsu, H., Welsh, F.A., Ludwig, J., Kato, H., Akira, S. and Weissman, D. Incorporation of pseudouridine into mRNA yields superior nonimmunogenic vector with increased translational capacity and biological stability. Mol Ther 16, 1833–1840 (2008).

Новость подготовил
© В.С.Михайлов
09.10.2023