Навстречу волнам

Среди счастливых людей есть и самые счастливые. Это те, кто удостоен самой почетной в научном мире награды - Нобелевской премии.

В этом году Нобелевскую премию по физике получили Исаму Акасаки (Isamu Akasaki), Хироши Амано (Hiroshi Amano) и Шюйи Накамура (Shuji Nakamura) за создание нового типа источника света - синих излучаемых светодиодов (LED).

Явление электролюминесценции, лежащее в основе действия этого источника света, было известно уже более 100 лет. При прохождении электрического тока через материалы с особыми свойствами можно создать условия, когда материал излучает кванты света. Практическое применение это явление приобрело лишь в 60-е гг. прошлого века, когда с его использованием на основе арсенида галлия были созданы первые источники света с излучением в ближнем инфракрасном диапазоне.

Дальнейшее развитие было связано с созданием, исследованием и применением разнообразных полупроводниковых материалов. Появились источники света, излучающие яркий видимый свет. Диодами их называют потому, что электрический ток в них протекает лишь в одном направлении - от катода к аноду. Полупроводниковый материал должен содержать примеси, способные создавать т.н. p-n переходы. Носителями зарядов являются электроны и т.н. дырки - положительные заряды на атомах. При взаимодействии электрона и "дырки" выделяется энергия в виде излучения фотона. Величина энергии, изменение которой происходит при излучении, и определяет цвет источника света.

Каковы же преимущества новых излучателей? Они значительно эффективнее, чем обычные лампы накаливания, поскольку нет необходимости разогревать излучатель до высоких температур, а значит, излишне тратить энергию, которая идет в тепло. Они безопасны, надежны и практически вечны, в отличие от газоразрядных люминесцентных ламп, которые содержат пары ртути, громоздки и часто портятся. Новые источники света включаются, выключаются и изменяют интенсивность за микросекунды. Их можно сделать миниатюрными, размером не более миллиметра. При массовом производстве они весьма дешевы. Однако есть и недостатки. Их трудно сделать достаточно мощными. Поэтому их применяют в разного рода дисплеях, где световой сигнал, несущий информацию, воспринимается непосредственно человеческим глазом. Они стали незаменимыми в сенсорных устройствах, где не интенсивность света, а миниатюрность, надежность и низкое потребление энергии являются наиболее ценными свойствами. Да и в наш быт они быстро вошли как маленькие и надежные осветители.

А какова же в этом заслуга новых нобелевских лауреатов, если красные и зеленые LED были известны уже на протяжении полувека? Просто их совмещение было недостаточным для создания источника, близкого к солнечному белому свету - не хватало коротковолновой синей компоненты. Это оказалось крайне сложной не только технологической, но и научной задачей, над которой десятилетиями сушили головы исследователи многих лабораторий мира. Решить ее удалось японским ученым - Исаму Акасаки, работавшему в университете г. Нагоя, и Хироши Амано, сотруднику небольшой компании, расположенной на острове Сикоку. Они впервые из полупроводникового материала получили излучение синего цвета.

Успеху способствовал выбор объекта исследования - нитрида галлия - и достижение самого высокого необходимого уровня его очистки. Выбор другого материала, селенида цинка, с которым работали другие лаборатории, оказался неудачным. Путем своих соотечественников пошел еще один японский ученый - Шюйи Накамура. Работая в частной корпорации Нишия в г. Токусима, он не только решил эту сложную задачу, но и нашел новые, более простые, методы его решения. Эти же исследователи создали синие полупроводниковые лазеры - мощные сфокусированные источники света. Благодаря менее короткой, чем у красных лазеров, длине волны, они позволяют плотнее записывать и воссоздавать информацию, используемую, например, в современных компьютерах. Сегодня LED дисплеи используются не только в телевизорах и мобильных телефонах, но и во вспышках фотоаппаратов и смартфонов.

Действительно, лампочка накаливания была символом научно-технического прогресса ХХ в. Источники света, созданные по LED-технологии, знаменуют - вместе с другими технологиями, построенными на квантовых явлениях, - прогресс ХХІ в. Что дальше? Я полагаю, что в ближайшее время значительного прогресса можно ожидать в замене полупроводниковых материалов люминесцентными наночастицами на основе органических люминофоров. Это открывает большие возможности для исследований и разработок. А применение? Здесь нет границ человеческой фантазии и технологическим решениям.

Нобелевскую награду по химии в этом году получили Эрик Бетциг (Eric Betzig), Стефан Гелл (Stefan W. Hell) и Уильям Морнер (William E. Moerner) за исследования по стимулированной эмиссионной деплетной микроскопии и фотоактивированной локализационной микроскопии и спектроскопии одиночных молекул.

Эти ученые создали микроскопы, которые благодаря своей необычайной разрешительной способности позволили увидеть одиночные молекулы. До недавнего времени это считалось невозможным. И не только из-за того, что молекулы такие маленькие, всегда находятся в окружении других молекул, и их надо как-то выделить от окружающего фона. Дело в том, что в микроскоп их можно увидеть лишь по излучению света, а кванты света имеют волновые свойства. Т.е. вы можете увеличивать изображение в микроскопе до тех пор, пока оно уже не будет улучшаться, поскольку оптическая система не будет регистрировать, откуда идет волна. Раздельного изображения двух объектов в микроскопе можно достичь лишь тогда, когда расстояние между ними больше половины длины световой волны (для видимого света это 200–300 нанометров). Этот т.н. дифракционный лимит был предложен немецким исследователем Эрнстом Аббе еще в 1873 г. и считался незыблемым. Настолько незыблемым, что простая формула, описывающая дифракционный лимит, была выгравирована на памятнике Эрнсту Аббе на кладбище в г. Йена.

И вот появляется юноша, который родился и вырос в небольшом поселке в Румынии на границе с Венгрией, закончил университет в Гейдельберге и заявляет, что все это не так. Что можно создать такие микроскопы, которые позволят обойти этот запрет, увидеть одиночные молекулы в их динамике и взаимодействии. Его имя Стефан Гелл.

Со Стефаном меня связывает давнее творческое знакомство. У него была фантастическая цель, и путь к ней был непростым. После окончания аспирантуры (тема диссертации - усовершенствование микроскопа в его классическом варианте) он еще три года работал в Центре микроскопии Европейской лаборатории молекулярной биологии, все время пытаясь заинтересовать коллег новыми идеями. Но не находил ни понимания, ни средств. Посылал свои предложения и запросы на финансирование в различные учреждения. И, наконец, получил приглашение на скромную должность в университете Турку в Финляндии. Годы, проведенные в Турку, были потрачены не напрасно, идею удалось воплотить в реальный эксперимент. Она заключалась в том, чтобы заставить флуоресцентные молекулы в поле зрения микроскопа излучать и гаснуть контролированно с помощью дополнительного лазера. Под действием этого лазера размер размытого изображения уменьшается, и четкость его нахождения значительно улучшается.

Вернувшись в Германию из "ссылки" в Финляндии и после кратковременного пребывания в Оксфорде, Стефан нашел возможность развивать свои исследования и разработки в Институте биофизической химии им. Макса Планка в Геттингене. Том Джовин, мой товарищ и коллега по общим исследованиям, был в то время исполнительным директором этого института. Он рассказывал, как непросто было убедить коллег в необходимости создать новую лабораторию с таким рискованным профилем. Но коллеги пошли на этот риск, позже был создан целый отдел нанобиофотоники. И в итоге никто не пожалел, поскольку на одного нобелевского лауреата в этом знаменитом институте стало больше.

Мое знакомство со Стефаном состоялось восемь лет тому назад. Вместе со своими сотрудниками он был на моей лекции в Институте им. Макса Планка в Геттингене, а затем, заинтересовавшись нашими результатами, пригласил меня для их обсуждения в свою лабораторию. В то время я работал над первым изданием англоязычного учебника по флуоресцентным технологиям и был рад получить от него для иллюстраций микроскопические изображения, которые еще нигде не печатались. Тогда он произвел на меня впечатление чрезвычайно сконцентрированного человека, умеющего ценить свое время буквально до секунд. Это впечатление усилилось во время последующих встреч. А сегодня я нашел в Интернете интересное интервью. Корреспондент Nature спросил лауреата: "А что вы делали, когда вам позвонили по телефону из Нобелевского комитета и сообщили о вашей премии?". Он ответил: "Читал интересную научную статью. Ну, дочитал ее до конца, а тогда уже начал звонить жене и друзьям".

Преодоление дифракционного лимита вызвало вспышку энтузиазма у других исследователей. Эффективным оказался метод, получивший название фотоактивированной локализационной микроскопии. Ее автор, американский исследователь Эрик Бетциг, также стал лауреатом премии Нобеля. Создание этого метода стимулировало появление новых флуоресцентных протеинов, являющихся фотохромами, т.е. имеющими способность к обратимому изменению своих свойств под воздействием лазерного облучения. Эти свойства имеют и некоторые органические красители. Комбинация такого фотоактивированного переключения с созданием оптического изображения позволяет достичь сверхвысокого оптического контраста.

Третий лауреат Нобелевской премии по химии этого года, Уильям Морнер, пошел другим путем - прямой визуализации одиночных молекул. Вспомните из учебников число Авогадро (10²³, 10 в 23-й степени), и вы сможете представить, какое количество молекул одновременно нас окружает. Американец Морнер был первым, кто смог увидеть излучение отдельной молекулы и разработал эффективные методы изучения таких молекул. Это не только научный прорыв, но и шаг к пониманию поведения физических, химических и биологических систем, которые в обычных условиях можно изучить лишь по их усредненному поведению. Ведь возможно такое, что не параметры, усредненные по всем молекулам, а параметры особых молекул, даже при их малом числе, определяют, скажем, биологическую активность. В мощности этого метода убедились и мы, сравнив результаты исследований синтезированных в нашей лаборатории флуоресцентных наночастиц обычными методами и в Геттингене - методами спектроскопии одиночных молекул.

Кроме флуоресцентной микроскопии в настоящее время нет другого метода изучения динамики молекул и надмолекулярных образований в условиях живой клетки. Преодоление дифракционного барьера начало эру наноскопии, а микроскопы сверхвысокой разрешающей способности уже называют наноскопами. В лучших лабораториях мира либо уже есть, либо их сотрудники (они) мечтают иметь такие приборы. Поэтому возрастает количество их вариантов. К работе приобщаются новые исследователи, мы глубже и глубже понимаем свойства живых клеток.

Прогуливаясь неделю назад по старинным улочкам Геттингена, я пытался понять, в чем секрет этого небольшого городка, жители которого сделали такой огромный вклад в науку. Читаю таблички на фасадах домов и вспоминаю имена, знакомые из университетских учебников. Здесь жил и работал знаменитый Карл Фридрих Гаусс (Carl Friedrich Gauss), отец функционального анализа Девид Гилберт (David Hilbert), создатель теории групп Феликс Клейн (Felix Klein), корифей математической физики Герман Минковский (Hermann Minkowski). А как не вспомнить нобелевских лауреатов Вальтера Нернста (Walther Nernst), сформулировавшего третий закон термодинамики, и его ученика Ирвинга Лангмюра (Іrving Langmuir), впоследствии внесшего фундаментальный вклад в теорию химической связи.

Здесь, в Геттингене, рождалась квантовая механика - новая физика ХХ в. - в дискуссиях и публикациях Вернера Гейзенберга (Werner Heisenberg), Джеймса Франка (James Franck) и Макса Борна (Max Born) - позже нобелевских лауреатов. Это были близкие друзья. Кафе, где они встречались и, поговаривают, писали формулы на салфетках, существует до сих пор. Аспирантом Борна был и Роберт Оппенгеймер (Robert Oppenheimer). Тем, кто изучал квантовую механику, хорошо известно приближение, названное именами этих ученых. Приезжали поработать в Геттинген Вольфанг Паули (Wolfgang Pauli), автор теории электронного спина, и отец атомной бомбы Энрико Ферми (Enrico Fermi), позже ставшие нобелевскими лауреатами. Да и их "крестный отец" Макс Планк (Max Planck) провел последние годы жизни в Геттингене.

Нобелевский лауреат Манфред Эйген, разработчик методов сверхбыстрых химических реакций, был основателем Института биофизической химии Общества им. Макса Планка. Для меня это была, казалось, далекая история. Каково же было удивление, когда от хозяйки моей квартиры я узнал, что он еще жив, живет за два дома от нас и, поговаривают, недавно развелся с женой. Этот институт не мог не удивить мир новыми лауреатами Нобеля. Ими стали Эрвин Неер (Ervin Neher) и Берт Сакман (Bert Sakmann) - за достижения в изучении одиночных ионных каналов в живых клетках. С Эрвином я встретился в институтской столовой. Он уже на пенсии, но часто приходит в институт, руководит небольшой группой. Кстати, в Германии все ученые без исключения после достижения пенсионного возраста должны уйти на пенсию, даже нобелевские лауреаты.

Стефан Гелл стал самым молодым лауреатом из Геттингена. И их число, надеюсь, прибавится.

Трудно удержаться, чтобы не прокомментировать то, как организовано научное сообщество в нашей стране. Так получилось, что основные научные учреждения расположены в столице, и к тому же на ее отдаленных окраинах, что крайне ограничивает творческое общение, проведение общих мероприятий. Не получилось ни украинского Кембриджа, ни украинского Геттингена. А представим себе, что молодой ученый, потенциальный лауреат Нобеля, приедет в столицу с новыми выстраданными идеями. Как он проживет на зарплату научного работника, какое жилье он сможет снять? Нет ни субсидируемого жилья для таких ученых, ни стипендий для их пребывания в столице. Странная и дикая ситуация, когда за рубеж ученому поехать значительно легче, чем в родную столицу.

Не способствует вхождению ученых в мировой научный процесс и получению ими высоких наград и чрезвычайно деформированное распределение тематических приоритетов нашей науки с уклоном в прикладные технические науки и непропорционально скромным вниманием к естественным наукам и наукам о человеке. А тем временем именно они на острие исследований ХХІ в. Скажем, имеет ли хоть какой-нибудь воображаемый шанс получить Нобелевскую премию один из почти 1500 сотрудников шести институтов отделения механики НАНУ? Для этого, наверное, нужны были бы два условия. Во-первых, родиться раньше Исаака Ньютона и открыть законы механики. И, во-вторых, чтобы тогда уже существовала Нобелевская премия. К сожалению, научная политика в нашей стране отсутствует, и механизмы ее ориентации на наиболее актуальные направления реально бездействуют.

Но ведь есть еще более сложная проблема. Система планирования и оценки исследований на уровне научных коллективов осталась без изменений - в наследство от старой командно-административной системы. Будем реалистами. Пока основным критерием успешности ученого будет считаться своевременно представленный и в красивом переплете отчет без его рейтинговой оценки и оценки его перспектив относительно продолжения работы, нобелевских лауреатов у нас точно не будет. Искусственно созданная неконкурентная среда, низкая кадровая мобильность - это то, что уничтожает нашу науку. Потенциальному лауреату просто не пробиться через засилье серости.

И напоследок. Так же как футболисту трудно играть при пустых трибунах, так и ученому непросто работать при равнодушии и даже пренебрежении общества. В разные времена Украина рождала нобелевских лауреатов, но их дальнейшая судьба была связана с другими странами. И только Илья Мечников, который родился в Украине, окончил Харьковский университет, отдал почти 20 лет жизни Одесскому университету и открыл явление фагоцитоза, что и было отмечено премией, наиболее неразрывно связан с Украиной. Имя этого выдающегося человека носила станция киевского метро. И вот кому-то это не понравилось, станцию переименовали...