Сусуму Китагаве, Ричард Робсон и Омар М. Яги
Нобелевские премии по физике и химии 2025 года получили международная группа исследователей и коллектив ученых из США. Ведущий научный сотрудник Нового физтеха ИТМО, кандидат физико-математических наук Дмитрий Глазов объяснил «Фонтанке», какое практическое значение имеют отмеченные открытия и как их уже применяют в Петербурге.
«От очистки воздуха до получения пресной воды в пустынях»
Обладатели нобелевской премии по химии стали известны 8 октября. Это Сусуму Китагаве из Университета Киото, Ричард Робсон из Университета Мельбурна и Омару М. Яги из Университета Калифорнии. Они разработали новую форму молекулярной архитектуры — металл-органические каркасы (MOF, metal-organic framework).
В сообщении нобелевского комитета сказано: «Металл-органические каркасы обладают огромным потенциалом, открывая ранее невиданные возможности для создания индивидуальных материалов с новыми функциями».
Как объясняет Дмитрий Глазов, речь идёт о принципиально новом классе веществ.
«Это сложные искусственно созданные материалы, которые можно представить как трёхмерные решётки, где атомы металлов соединены друг с другом органическими молекулами, играющими роль перемычек. В результате получается структура, похожая на губку, но с порами в миллионы раз меньше, чем у обычной губки. У такой губки фантастически большая внутренняя поверхность: всего один грамм такого вещества может иметь внутреннюю площадь, сравнимую с футбольным полем», — рассказывает Глазов.
Он отмечает, что главная идея открытия в том, что такие структуры можно конструировать заранее — так же, как инженер проектирует мост или здание. Химик может выбрать, какие металлы или органику использовать, и таким образом задает форму, размер и свойства пор.
«Благодаря этому можно создавать материалы, которые специально заточены под определённые задачи: одни идеально поглощают углекислый газ, другие улавливают влагу из воздуха, третьи служат ловушками для вредных веществ», — объясняет Глазов.
По его словам, это очевидный научный прорыв, потому что до этого химики обычно имели дело с веществами, структура которых создана природой или получена в результате синтеза. То есть раньше всегда было место для случайности, а сейчас можно собирать необходимый материал словно конструктор, управляя его свойствами на уровне атомов.
«Благодаря этому возникли совершенно новые области применения — от систем хранения водорода и очистки воздуха до технологий получения пресной воды в пустынях», — говорит Глазов.
Если говорить упрощенно, международная группа ученых научилась создавать материалы, внутри которых можно как бы прятать и выпускать молекулы по своему желанию.
«Это шаг к управляемой химии будущего — когда мы не просто открываем новые вещества, а конструируем их», — отмечает Глазов.
Для общества MOF — это реальный шанс решать глобальные проблемы, уверен исследователь. Например, очищать воздух от углекислого газа, получать воду из воздуха там, где она в дефиците, предотвращать химические загрязнения, создавать более чистую энергетику.
«Для квантовых компьютеров и сверхчувствительных датчиков»
Лауреатов нобелевской премии по физике объявили 7 октября. Ими стали Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинес из Калифорнийского университета. Они открыли макроскопическое квантовое туннелирование и квантование энергии в электрической цепи.
«Закон сохранения энергии ограничивает возможные перемещения тел в пространстве. В то же время, согласно квантовой механике, микроскопические частицы могут проходить через потенциальный барьер, то есть попадать из одной разрешённой области в другую, преодолевая запрещённую область. Лауреаты премии этого года показали, что туннелирование может проявляться не только в микро-, но и в макроскопических электрических схемах, которые можно увидеть невооруженным глазом», — объясняет Дмитрий Глазов.
Ученые продемонстрировали, что такие системы поглощают и излучают энергию порциями — так же, как и микроскопические, в соответствии с квантовой теорией.
«Почему это важно? Потому что это сближает квантовый мир и повседневные устройства. Теперь мы знаем, что квантовые эффекты можно использовать для создания современных технологий — например, квантовых компьютеров, сверхчувствительных датчиков, квантовой криптографии. Это открытие показывает, что квантовая физика — не абстрактная теория, а ресурс, который можно использовать в развитии техники», — рассказывает Дмитрий Глазов.
На основе этого открытия уже выросли целые направления современных технологий — прежде всего, сверхпроводниковые кубиты, которые лежат в основе квантовых компьютеров.
«Кроме квантовых вычислений, те же принципы используются в сверхчувствительных сенсорах для измерения магнитных полей. Такие сенсоры применяют в медицине для регистрации активности мозга и сердца, а также в экспериментах по поиску тёмной материи и гравитационных волн», — объясняет Глазов.
Как применяют в Петербурге
В ИТМО занимаются исследованиями, которые напрямую связаны с теми научными открытиями, которые отметил нобелевский комитет. Так, научная группа ведущего научного сотрудника Нового физтеха ИТМО Василия Кравцова исследует и синтезирует материалы с использованием эффекта квантового туннелирования. Недавно эта группа создала двумерный материал, который может служить источником одиночных фотонов — основой для квантовой криптографии и сенсоров.
А научная группа Валентина Миличко разрабатывает металл-органические каркасы. Вместе с исследователями из Института неорганической химии им. А. В. Николаева Сибирского отделения РАН (Новосибирск) они создали полимеры, которые помогают удаленно измерять температуру человека и животных.
Ранее несколько экспертов по просьбе «Фонтанки» попробовали сделать прогноз научных открытий и трендов на 2025 год.