Низкие технологии

Область применения: производство графена, генерация рентгеновского излучения.

Андрею Гейму и Константину Новосёлову, двум физикам российского происхождения из Университета Манчестера, в 2010 году была присуждена Нобелевская премия за получение графена — углеродного кристалла толщиной в один атом. Из таких слоёв состоит графит (материал карандашных грифелей), но ещё 11 лет назад никому не удавалось эти слои разделить — и были сомнения, что это вообще возможно. Графит подвергали воздействию кислот и даже горячей плазмы, но на выходе получали плоские кристаллы не тоньше 20 атомов, которые никакими новыми свойствами не обладали.

Гейм с Новосёловым поступили иначе. На пластинку графита налепили полоску обычного прозрачного скотча, какой продаётся в магазине канцтоваров. А потом отлепили.

Будущие нобелевские лауреаты знали, что их коллеги-микроскописты чистят таким образом — приклеивая и отклеивая липкую ленту — поверхность кристаллов, прежде чем поместить их под микроскоп. Но Гейма с Новосёловым интересовал не очищенный кристалл графита, а, наоборот, налипший на скотч «мусор».

Именно то, что осталось на скотче, стали разглядывать под микроскопом — и с помощью гораздо более изощрённых физических инструментов в конце концов убедились, что действительно произвели на свет несколько кристаллов одноатомной толщины.

В 2008 году четверо физиков из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе решили поэкспериментировать с одним скотчем — без графита и даже без воздуха. Разматывая рулон в вакууме, они обнаружили: в точке отрыва клея от поверхности часть энергии разрываемых химических связей превращается в электромагнитное излучение.

Эффект называют триболюминесценцией, другой известный её пример — свечение кристаллов кварца, которые потёрли друг о друга, или алмазов в процессе шлифовки.

На поверхности скотча небольшими порциями генерируются радиоволны, видимый свет и рентгеновские лучи. Каждая короткая рентгеновская вспышка — это выброс примерно 300 тысяч фотонов, который длится одну миллиардную долю секунды.

Суммарная интенсивность нескольких вспышек была достаточной, чтобы сделать рентгеновский снимок пальца одного из учёных, который и был опубликован вместе с подробностями эксперимента в Nature.

Однако если вы решите поразматывать скотч дома, облучение вам не грозит: критически важным условием эксперимента калифорнийцев был вакуум (как и в пионерском опыте самого Вильгельма Рёнтгена с катодными лучами в 1895 году). Воздух гарантированно помешает произойти рентгеновской вспышке.

Область применения: хранение радиоактивных отходов.

В феврале 2014 года на экспериментальном заводе по переработке и захоронению радиоактивных отходов в штате Нью-Мексико, США, лопнул «барабан 68660», железная бочка с нитратами плутония и других трансурановых металлов — отработанным материалом из Лос-Аламосской национальной лаборатории, главного ядерного центра США. Содержимое «барабана» растеклось, 21 человек получил небольшие дозы радиации, а департамент энергетики США затеял расследование, которое тянулось больше года.

Комиссия из 9 химиков и физиков-ядерщиков опубликовала доклад на 277 страницах, где говорится, что причина аварии — неправильный выбор наполнителя для кошачьих туалетов.

Новый бренд, комкующийся наполнитель Swheat Scoop, оказался не в меру экологичным. На сайте производителя сказано, что он не содержит двуокиси кремния и на 100% биоразлагаемый — иными словами, его можно без риска спустить в унитаз. И ещё его производят из чистого пшеничного зерна, которое забраковала какая-нибудь булочная. Кот, указывается в рекламном проспекте, ничем не рискует, даже если немного этого наполнителя съест.

Как уточняют в докладе химики, главные компоненты кошачьего наполнителя — это крахмал (65–70% сухого веса) и белки (14%). Ещё там есть немного ферментов, которые и делают смесь биоразлагаемой. Перемешанный с радиоактивными нитратами крахмал и послужил топливом для окислительной реакции с выделением тепла, в результате которой смесь нагрелась до 250 градусов по Цельсию, расплавилась, и газ под давлением вышиб крышку бочки.

Использование кошачьего наполнителя при утилизации ядерных отходов, как следует из доклада, обычное дело. С главной своей задачей — впитывать влагу — он справляется на ура. Просто на этот раз он оказался в плохой компании солей-окислителей. Авторы заключают, что более разумным выбором были бы неорганические сорбенты, например цеолиты или силикагель. То есть материалы ддля кошачьих наполнителей других популярных марок

Область применения: термоядерная энергетика — охлаждение и всасывание продуктов реакции в термоядерном реакторе ITER.

Самая известная особенность термоядерного реактора — немыслимая температура в 150 миллионов градусов: в 10 раз горячее, чем в центре Солнца. В таких жёстких условиях при столкновении одних лёгких ядер (дейтерия и трития) образуются другие (гелий и водород). С точки зрения физики плазмы эти вроде бы невинные продукты реакции — обоими газами надувают шарики для детей — не что иное, как вредный шлак, который надо как можно быстрей вывести из зоны реакции.

По замыслу конструкторов ITER, неподалёку от горячего шнура плазмы, подвешенного в магнитном поле, на гелий и водород охотятся восемь крионасосов, охлаждённых до температуры чуть выше абсолютного нуля. Атомы гелия и молекулы водорода, попадая на холодную поверхность, мгновенно теряют почти весь свой запас энергии.

Общая поверхность крионасосов — 88 квадратных метров, и каждая из панелей покрыта той самой измельчённой жжёной кокосовой скорлупой. Если быть точным, это одна из разновидностей активированного угля — материала с огромной эффективной площадью поверхности: она может достигать 1500 квадратных метров на грамм, как у 15 десантных парашютов, спрессованных в объём напёрстка.

Обычный активированный уголь (древесный) применяется уже сейчас в токамаке JET в Великобритании — действующем прототипе будущего Международного термоядерного экспериментального реактора (ITER).

Разработчики ITER, который должен заработать в 2020-м, двадцать лет выбирали оптимальное покрытие для крионасосов и перепробовали самые разные современные материалы, от нанотрубок до цеолитов, но остановились на кокосовом угле из Индонезии. Стратегический запас этого материала на многие годы работы реактора был закуплен ещё в 2002 году и хранится в немецком Карлсруэ.

В Индии и Индонезии кокосовый уголь до сих пор производят традиционным способом: углежоги сгружают битую скорлупу в специальные ямы в земле, где предварительно был разведён огонь. Чаще всего продукт используют просто как топливо для печей или каминов.

Область применения: генетика — работа с мухами-дрозофилами.

В 1960 году генсек Никита Хрущёв упрекнул академика Александра Несмеянова, президента Академии наук СССР, что советские учёные «исследуют каких-то мушек». Несмеянов попросился в отставку, а мушек-дрозофил изучают до сих пор — это ключевой модельный организм для генетики. В статье 2005 года в Nature были перечислены области интереса медиков (которые, разумеется, лечат не мух, а людей), где исследования мушек заметно помогли продвинуться вперёд. Неврологические болезни и болезни развития. Нарушения метаболизма. Рак. Гены, ответственные за работу зрения, слуха и иммунной системы.

Чем мушки так хороши? Они быстро размножаются и взрослеют. Они оставляют много потомства. Часть мутаций видна невооружённым глазом. Сбой в работе генов, общих для всех многоклеточных и отвечающих за развитие, у мушки даст о себе знать дефектами глаз, крыльев или лапок. Для более сложных организмов (вроде человека или лабораторной мыши) такие дефекты могут оказаться летальными — носитель дефектного гена просто не успеет появиться на свет. Поэтому функцию таких генов проще изучать на примере дрозофил.

Ключевой инструмент в работе с мушками — маховое перо из птичьего крыла. Отдельные руководства для студентов рекомендуют конкретно голубиное, но, в принципе, годится любое. «Главное, чтобы оно было достаточно большим, но не слишком жестким», — объясняет профессор Фёдор Кондрашов, заведующий лабораторией Центра геномной регуляции в Барселоне.

Чтобы сосчитать частоту разных дефектов в популяции, мушек усыпляют эфиром или углекислым газом, считают и сортируют на специальной доске — в зависимости от глаз или формы крыльев отправляют в ту или иную кучку. Перо нужно, чтобы двигать мушиные тела, не повреждая их в процессе сортировки. «На Западе чаще используют кисточки, но перья реально удобнее», — говорит Кондрашов.

Область применения: океанология.

В 1992 году в Тихом океане, к югу от Алеутских островов, то есть на полпути между Камчаткой и западным побережьем Канады, с борта грузового судна смыло несколько контейнеров с 28 800 игрушками для ванн: бобрами, лягушками, обезьянками и уточками. 7200 уточек выгодно отличались от остальной пластиковой фауны наличием логотипа, по которому их легко было опознать.

Когда волны стали выбрасывать игрушки, облезшие и истрёпанные, на берега разных стран — от Гонконга до Австралии, — благодаря этому логотипу удалось понять, откуда они взялись, и в конце концов восстановить их судьбу.

Сообщество энтузиастов — исследователей океанского мусора вместе с учёными раскрыли целую серию происшествий, похожих на аварию контейнеровоза с уточками. В разное время океан поглотил несколько десятков тысяч кроссовок Nike, хоккейных перчаток и других предметов, окончивших путешествие на пляжах по всему миру.

Американский океанолог Кёртис Эббесмейер стал отслеживать такие находки и наносить их на карту, чтобы в итоге прочертить гипотетические траектории уточек и кроссовок. По его словам, это помогло уточнить, как устроена система циклических течений в океане.

В книге Эббесмейера описано 11 течений, которые носят по поверхности воды пластиковый мусор, планктон и брошенные дрейфующие корабли: за 3 года и 5 месяцев уточка или пластиковый пакет делают полный круг по Индийскому или Атлантическому океану. Есть все основания думать, что именно благодаря этим течениям тысячу лет назад викинги доплыли до берегов Америки.

Область применения: молекулярная динамика, геология — модели сложных объектов на основе параллельных вычислений.

Главные покупатели мощных видеокарт — геймеры. Это для них компании-производители снимают рекламные ролики с драконами и эльфами, швыряющими друг в друга огненные шары посреди сложносочинённого горного ландшафта. Графические ускорители нужны для того, чтобы эльфы и Альпы в динамике выглядели как можно реалистичнее.

Но ещё в начале 2000-х часть видеокарт стала из магазинов попадать в лаборатории. Здесь с их помощью моделируют поведение ферментов. Или прохождение сейсмических волн через месторождения нефти глубоко под землёй.

Что в видеокартах одинаково привлекает учёных и геймеров? Принцип работы графических процессоров. У классического центрального процессора в ноутбуке бывает 2, 4 или 8 ядер, которые могут одновременно решать 2, 4 или 8 задач. Но не больше. Когда на компьютере запущено сразу 25 программ, они сменяют друг друга в очереди на доступ к какому-нибудь из ядер. А у графического процессора видеокарты ядер тысячи. Каждое само по себе устроено проще, чем ядро центрального процессора, но зато вместе они могут проделывать тысячи параллельных вычислений одновременно. Например, каждый процессор может заниматься судьбой одного конкретного атома в белке. Или процессами внутри одного конкретного кубометра нефтеносного слоя.

Хотя первое время учёным приходилось в буквальном смысле собирать свои вычислительные кластеры из видеокарт, продающихся в магазине, в конце концов компания NVIDIA осознала, что у неё появился новый класс покупателей, и собрала серию специальных «настольных суперкомпьютеров» для научных расчётов — графические ускорители NVIDIA Tesla производительностью до 2,91 терафлопса (у топовой модели K80), которые устанавливаются в обычные настольные компьютеры. Но, разумеется, это стоит во много раз дороже остальной начинки: Amazon.com просит 4599,99 доллара за NVIDIA Tesla K80 и 3099,99 доллара за менее мощный K40.

У себя на сайте компания приводит примеры научных расчётов на видеокартах, выполненных с помощью Tesla: в Гарварде — моделирование наростов на стенках артерий, в Университете штата Иллинойс — самое детальное изображение вируса гриппа H1N1 (как гигантской системы подвижных атомов).

Область применения: молекулярная биология, нанохимия — диализ белков и взвесей наночастиц.

Белки, которые делают всю сложную работу в живой клетке, — это огромные неповоротливые молекулы из десятков или сотен тысяч атомов. ДНК-полимераза копирует нить ДНК и сама следит, чтобы не было ошибок. Мембранные белки-рецепторы по химическому сигналу открывают и закрывают каналы, сквозь которые в нейрон просачиваются отдельные ионы. И у биологов то и дело возникает потребность изучить какой-нибудь белок по отдельности.

Если вы добываете белок из чего-нибудь живого, будь то бактерия или измельчённая мышиная селезёнка, он, скорее всего, достанется вам в виде взвеси с огромным множеством примесей. Заметная их часть — лёгкие молекулы, которые состоят из считаных десятков атомов (например, сахара и аминокислоты). Чтобы от них избавиться, часто пользуются методом диализа. Взвесь белка заливают в небольшую ёмкость, «диализный мешок». Кладут его в сосуд побольше с чистой водой и позволяют лёгким примесям уйти сквозь полупроницаемую стенку «мешка».

Молекулярный биолог Вера Башмакова, завлабораторией биохакинга в Политехническом музее, рассказывает, что в качестве диализного мешка можно использовать оболочки от сосисок: «Вообще, сейчас дешевле покупать готовые диализные мешки, а в девяностые так многие делали».

Трубка, в которую упаковывают сосиски на заводе, сделана из целлофана — полимерной плёнки на основе целлюлозы с крупными по меркам мира молекул порами. До 1960-х это был главный упаковочный материал на планете, но его вытеснили другие виды пластика, и сейчас целлофановых пакетов практически не бывает — то, во что вы складываете продукты у кассы в супермаркете, сделано из разных модификаций полиэтилена. Но сосиски продолжают выпускать в целлофане несмотря на то, что материал вышел из моды: под полупроницаемой целлофановой мембраной (которая, к примеру, пропускает водяной пар) они медленней портятся.

Область применения: геология — взрывчатка во влажных средах; органическая химия: мини-вакуумный бокс.

Многие реагенты, с которыми имеют дело в химических лабораториях, не выдерживают контакта с воздухом. Кислород — сильный окислитель, и какому-нибудь металлическому калию на воздухе ничего не стоит взять и взорваться. С такими чувствительными реагентами чаще всего работают в «перчаточном боксе» — накачанном инертным газом герметичном ящике с отверстиями для рук, к которому приделана пара толстых резиновых перчаток по локоть. Химик вдевает в них руки и приступает к делу.

Как быть, если перчаточный ящик один на лабораторию и уже занят, а вам нужно срочно что-нибудь сделать с небольшой порцией реагента? Презерватив — вещь гибкая, её можно надеть на горло колбы, куда надо всыпать вещество, или на небольшую ступку, где вещество измельчают. На форуме химиков-органиков это описывают как обычный приём в лабораторной практике. Геологи, в свою очередь, зачастую, когда ведут взрывные работы, используют презервативы как контейнер, защищающий от влаги детонатор и взрывчатку.

Автор благодарит Константина Черниченко из Университета Хельсинки за страшно продуктивную беседу, которая стала источником нескольких ключевых историй в материале. Впервые опубликовано: «Кот Шрёдингера» № 7-8 (9-10) июль-август 2015.