Назустріч хвилям

Cеред щасливих людей є і найщасливіші. Це ті, кого удостоєно найпочеснішої в науковому світі нагороди - Нобелівської премії.

Цього року Нобелівську премію з фізики отримали Ісаму Акасакі (Isamu Akasaki), Хіроші Амано (Hiroshi Amano) і Шуї Накамура (Shuji Nakamura) за створення нового типу джерел світла - синіх випромінюючих світлодіодів (LED).

Явище електролюмінесценції, що лежить в основі дії цих джерел світла, було відоме вже понад 100 років. При проходженні електричного струму через матеріали з особливими властивостями можна створити умови, коли матеріал випромінює кванти світла. Практичного застосування воно набуло лише в 60-ті роки минулого століття, коли з його використанням на основі арсеніду галлію було створено перші джерела світла з випромінюванням у ближньому інфрачервоному діапазоні. Подальший розвиток був пов'язаний зі створенням, дослідженням і застосуванням різноманітних напівпровідникових матеріалів. З'явилися джерела світла, які випромінюють яскраве видиме світло. Діодами їх називають тому, що електричний струм у них протікає лише в одному напрямку - від катода до анода. Напівпровідниковий матеріал має містити домішки, здатні створювати так звані p-n переходи. Носіями зарядів є електрони і так звані дірки - позитивні заряди на атомах. При взаємодії електрона і "дірки" виділяється енергія у вигляді випромінювання фотона. Величина енергії, зміна якої відбувається при випромінюванні, і визначає колір джерела світла.

Які ж переваги нових випромінювачів? Вони значно ефективніші, ніж звичайні лампи розжарювання, бо немає потреби розігрівати випромінювач до високих температур, а отже, зайво витрачати енергію, що йде в тепло. Вони безпечні, надійні і практично вічні, на відміну від газорозрядних люмінесцентних ламп, що містять пари ртуті, громіздкі і часто псуються. Нові джерела світла вмикаються, вимикаються і змінюють інтенсивність за мікросекунди. Їх можна зробити мініатюрними, розміром не більше міліметра. При масовому виробництві вони дуже дешеві. Проте мають і недоліки. Їх важко зробити достатньо потужними. Тому їх застосовують у різного роду дісплеях, де світовий сигнал, що несе інформацію, сприймається безпосередньо людським оком. Вони стали незамінними в сенсорних пристроях, де не інтенсивніть світла, а мініатюрність, надійність та низьке споживання енергії є найбільш цінними властивостями. Та й у наш побут вони швидко ввійшли як маленькі й надійні освітлювачі.

А яка ж у цьому заслуга нових нобелівських лауреатів, якщо червоні й зелені LED були відомі вже протягом півстоліття? Просто їх поєднання було недостатнім для створення джерела, близького до сонячного білого світла - не вистачало короткохвильової синьої компоненти. Це виявилося дуже складним не лише технологічним, а й науковим завданням, над яким десятиліттями сушили голови дослідники багатьох лабораторій світу. Вирішити його вдалося японським ученим Ісаму Акасакі, який працював в університеті м. Нагоя, і Хіроші Накамура, співробітнику невеликої компанії, розташованої на острові Сікоку. Вони вперше з напівпровідникового матеріалу отримали випромінювання синього кольору.

Успіху сприяв вибір об'єкта дослідження - нітриду галлію - і досягнення найвищого необхідного рівня його очистки. Вибір іншого матеріалу, селеніду цинку, з яким працювали інші лабораторії, виявився невдалим. Шляхом своїх співвітчизників пішов і інший японський учений - Шуї Накамура. Працюючи в приватній корпорації Нішія в м. Токушіма, він не лише вирішив це складне завдання, а й знайшов нові, простіші, методи його розв'язання. Ці ж дослідники створили сині напівпровідникові лазери - потужні сфокусовані джерела світла. Завдяки коротшій, ніж у червоних лазерів, довжині хвилі, вони дозволяють щільніше записувати і відтворювати інформацію, яка, наприклад, використовується в сучасних комп'ютерах. Сьогодні LED дисплеї використовуються не лише в телевізорах і мобільних телефонах, а й у спалахах фотоапаратів і смартфонів.

Справді, лампочка розжарювання була символом науково-технічного прогресу ХХ століття. Джерела світла, створені за LED технологією, знаменують - разом з іншими технологіями, побудованими на квантових явищах, - прогрес ХХІ століття. Що далі? На мою думку, найближчим часом значного прогресу можна очікувати в заміні напівпровідникових матеріалів люмінесцентними наночастинками на основі органічних люмінофорів. Це відкриває великий простір для досліджень і розробок. А застосування? Тут немає меж людській фантазії і технологічним рішенням.

Нобелівську нагороду з хімії цього року отримали Ерік Ветзіг (Eric Betzig), Стефан Гелл (Stefan W. Hell) і Вілліам Морнер (William E. Moerner) за дослідження зі стимульованої емісійної деплетної мікроскопії та фотоактивованої локалізаційної мікроскопії й спектроскопії одиночних молекул.

Ці вчені створили мікроскопи, які завдяки своїй нечуваній роздільній здатності дали змогу побачити одиночні молекули. До останнього часу це вважалося неможливим. І не лише через те, що молекули такі маленькі, що вони завжди в оточенні інших молекул і що їх треба якось виділити від довколишнього фону. Річ у тому, що в мікроскоп їх можна побачити лише за випромінюванням світла, а кванти світла мають хвильові властивості. Тобто ви можете збільшувати зображення в мікроскопі доти, доки воно вже не поліпшуватиметься, бо оптична система не реєструватиме, "звідки йде хвиля". Роздільного зображення двох об'єктів у мікроскопі можна досягти лише тоді, коли відстань між ними більша за половину довжини світлової хвилі (для видимого світла це 200-300 нанометрів). Цей так званий дифракційний ліміт був запропонований німецьким дослідником Ернстом Аббе ще 1873 року і вважався непорушним. Настільки непорушним, що проста формула, яка описує дифракційний ліміт, була вигравіювана на памятнику Ернсту Аббе на цвінтарі в м. Єна.

І ось з'являється юнак, який народився і виріс у невеличкому селищі в Румунії на кордоні з Угорщиною, закінчив університет у Гейдельберзі, і заявляє, що все це не так. Що можна створити такі мікроскопи, які дозволять обійти цю заборону, побачити одиночні молекули в їхній динаміці й взаємодії. Його ім'я Стефан Гелл.

Зі Стефаном мене пов'язує давнє творче знайомство. Він мав фантастичну мету, і шлях до неї був непростим. Після закінчення аспірантури (тема дисертаціі - вдосконалення мікроскопа в його класичному варіанті) він іще три роки працював у Центрі мікроскопії Європейської лабораторії молекулярної біології, весь час намагаючись зацікавити колег новими ідеями. Але не знаходив ні розуміння, ні коштів. Посилав свої пропозиції і запити на фінансування до різних інституцій. І, нарешті, отримав запрошення на скромну посаду в університеті Турку в Фінляндії. Роки, проведені в Турку, були витрачені не марно, ідею вдалося втілити в реальний експеримент. Вона полягала в тому, щоб примусити флуоресцентні молекули в полі зору мікроскопа випромінювати і гаснути контрольовано за допомогою додаткового лазера. Під дією цього лазера розмір розмитого зображення зменшується і чіткість його знаходження значно поліпшується.

Повернувшись до Німеччини з "заслання" у Фінляндії і після короткочасного перебування в Оксфорді, Стефан знайшов можливість розвивати свої дослідження і розробки в Інституті біофізичної хімії ім. Макса Планка в Геттінгені. Том Джовін, мій товариш і колега по спільних дослідженнях, був у той час виконавчим директором цього інституту. Він розповідав, як непросто було переконати колег у необхідності створення нової лабораторії з таким ризикованим профілем. Але колеги пішли на цей ризик, відтак було створено цілий відділ нанобіофотоніки. І в підсумку ніхто не пошкодував, бо на одного нобелівського лауреата в цьому знаменитому інституті побільшало.

Моє знайомство зі Стефаном відбулося вісім років тому. Разом зі своїми співробітниками він був на моїй лекції в Інституті ім. Макса Планка в Геттінгені, а потім, зацікавившись нашими результатами, запросив мене для їх обговорення до своєї лабораторії. В той час я працював над першим виданням англомовного підручника з флуоресцентних технологій і був радий отримати від нього для ілюстрацій мікроскопічні зображення, які ще ніде не друкувалися. Тоді він справив на мене враження надзвичайно сконцентрованої людини, яка вміє цінувати свій час буквально до секунд. Це враження посилилося під час наступних зустрічей. А сьогодні я знайшов в Інтернеті цікаве інтерв'ю. Кореспондент Nature спитав лауреата: "А що ви робили, коли вам зателефонували з Нобелівського комітету і повідомили про вашу премію?". Він відповів: "Читав цікаву наукову статтю. Ну, дочитав її до кінця, а тоді вже почав дзвонити дружині і друзям".

Подолання дифракційного ліміту викликало спалах ентузіазму в інших дослідників. Ефективним виявився метод, що дістав назву фотоактивованої локалізаційної мікроскопії. Її автор, американський дослідник Ерік Ветзіг, також став лауреатом премії Нобеля. Створення цього методу стимулювала поява нових флуоресцентних протеїнів, що є фотохромами, тобто мають здатність до оборотної зміни своїх властивостей під дією лазерного опромінення. Ці властивості мають і деякі органічні барвники. Комбінація такого фотоактивованого переключення зі створенням оптичного зображення дозволяє досягти надвисокого оптичного контрасту.

Третій лауреат Нобелівської премії з хімії цього року, Вілліам Морнер, пішов іншим шляхом - прямої візуалізації одиночних молекул. Згадайте з підручників число Авогадро (1023), і ви зможете уявити, яка кількість молекул одночасно нас оточує. Американець Морнер був перший, хто зміг побачити випромінювання окремої молекули і розробив ефективні методи вивчення таких молекул. Це не лише науковий прорив, а й крок до розуміння поведінки фізичних, хімічних і біологічних систем, які у звичайних умовах можна вивчити лише за їхньою усередненою поведінкою. Адже можливо таке, що не параметри, усереднені по всіх молекулах, а параметри особливих молекул, навіть при їх малому числі, визначають, скажімо, біологічну активність. У потужності цього методу переконались і ми, порівнявши результати досліджень синтезованих у нашій лабораторії флуоресцентних наночастинок звичайними методами і в Геттінгені - методами спектроскопії одиночних молекул.

Крім флуоресцентної мікроскопії, немає зараз іншого методу вивчення динаміки молекул і надмолекулярних утворень в умовах живої клітини. Подолання дифракційного бар'єра започаткувало еру наноскопії, а мікроскопи надвисокої роздільної здатності вже називають наноскопами. Найкращі лабораторії світу або вже мають, або мріють мати такі прилади. Тому зростає кількість їх варіантів. До роботи долучаються нові дослідники, ми глибше й глибше розуміємо властивості живих клітин.

Прогулюючись тиждень тому старовинними вуличками Геттінгена, я намагався зрозуміти, в чому секрет цього невеличкого містечка, жителі якого зробили такий величезний внесок у науку. Читаю таблички на фасадах будинків і пригадую імена, знайомі з університетських підручників. Тут жив і працював знаменитий Карл Фрідріх Гаусс (Carl Friedrich Gauss), батько функціонального аналізу Девід Гілберт (David Hilbert), творець теорії груп Фелікс Клейн (Felix Klein), корифей математичної фізики Германн Мінковський (Hermann Minkowski). А як не згадати нобелівських лауреатів Вальтера Нернста (Walther Nernst), який сформулював 3-й закон термодинаміки, і його учня Ірвінга Лангмюра (Іrving Langmuir), який згодом зробив фундаментальний внесок у теорію хімічного зв'язку.

Тут, у Геттінгені, народжувалася квантова механіка - нова фізика ХХ століття - в дискусіях і публікаціях Вернера Гейзенберга (Werner Heisenberg), Джеймса Франка (James Franck) і Макса Борна (Max Born) - згодом нобелівських лауреатів. Це були близькі друзі. Кафе, де вони зустрічалися і, кажуть, писали формули на серветках, існує і досі. Аспірантом Борна був і Роберт Оппенгеймер (Robert Oppenheimer). Тим, хто вивчав квантову механіку, добре відоме наближення, назване іменами цих учених. Приїжджали попрацювати до Геттінгена Вольфанг Паулі (Wolfgang Pauli), автор теорії електронного спіну, і батько атомної бомби Енріко Фермі (Enrico Fermi), які згодом стали нобелівськими лауреатами. Та й їхній "хрещений батько" Макс Планк (Max Planck) провів останні роки життя в Геттінгені.

Нобелівський лауреат Манфред Ейген, розробник методів надшвидких хімічних реакцій, був фундатором Інституту біофізичної хімії Товариства ім. Макса Планка. Для мене це була, здавалося, далека історія. Яке ж було здивування, коли від хазяйки мого помешкання я довідався, що він іще живий, мешкає за два будинки від нас і, кажуть, нещодавно розлучився з дружиною. Цей інститут не міг не здивувати світ новими лауреатами Нобеля. Ними стали Ервін Негер (Ervin Neher) і Берт Сакманн (Bet Sakmann) - за досягнення у вивченні одиночних іонних каналів у живих клітинах. З Ервіном я зустрівся в інститутській їдальні. Він уже на пенсії, але часто приходить до інституту, керує невеличкою групою. До речі, в Німеччині всі вчені без винятку після досягнення пенсійного віку мають піти на пенсію, навіть нобелівські лауреати.

Стефан Гелл став наймолодшим лауреатом з Геттінгена. І їх число, сподіваюся, прибуде.

Важко утриматися, щоб не прокоментувати те, як організовано наукове співтовариство в нашій країні. Так вийшло, що основні наукові установи розташовані в столиці, до того ж на її віддалених околицях, що дуже обмежує творче спілкування, проведення спільних заходів. Не вийшло ні українського Кембриджа, ні українського Геттінгена. А уявімо собі, що молодий учений, потенційний лауреат Нобеля, приїде до столиці з новими вистражданими ідеями. Як він проживе на зарплату наукового працівника, яке житло він зможе винайняти? Немає ані субсидованого житла для таких учених, ані стипендій для їх перебування в столиці. Дивна і дика ситуація, коли за кордон ученому поїхати значно легше, ніж до рідної столиці.

Не сприяє входженню вчених у світовий науковий процес та отриманню ними високих нагород і надзвичайно деформований розподіл тематичних пріоритетів нашої науки з ухилом у прикладні технічні науки і непропорційно скромною увагою до природничих наук та наук про людину. А тим часом саме вони на вістрі досліджень ХХІ століття. Скажімо, чи має якийсь хоч би позірний шанс отримати Нобелівську премію один із майже 1 500 співробітників шести інститутів відділення механіки НАНУ? Для цього, мабуть, потрібні були б дві умови. По-перше, народитися раніше за Ісака Ньютона і відкрити закони механіки. І, по-друге, щоб тоді вже існувала Нобелівська премія. На жаль, наукова політика в нашій країні відсутня, і механізми її орієнтації на найбільш актуальні напрями реально не діють.

Але ж є ще складніша проблема. Система планування й оцінки досліджень на рівні наукових колективів залишилася без змін - у спадок від старої командно-адміністративної системи. Будьмо реалістами. Доки основним критерієм успішності науковця вважатиметься вчасно поданий і в гарній палітурці звіт без його рейтингової оцінки та оцінки його перспектив щодо продовження роботи, нобелівських лауреатів у нас точно не буде. Штучно створене неконкурентне середовище, низька кадрова мобільність - це те, що нищить нашу науку. Потенційному лауреатові просто не пробитися через засилля сірості.

І насамкінець. Отак як футболісту важко грати при порожніх трибунах, так і вченому непросто працювати при байдужості і навіть зневазі суспільства. В різні часи Україна народжувала нобелівських лауреатів, але їхня подальша доля була пов'язана з іншими країнами. І лише Ілля Мечников, який народився в Україні, закінчив Харківський університет, віддав майже 20 років життя Одеському університету і відкрив явище фагоцитозу, що й було відзначено премією, - найбільш нерозривно пов'язаний з Україною. Ім'я цієї видатної людини носила станція київського метро. І от комусь це не сподобалося, станцію перейменували...