Ryškiausios mokslo ir technologijų pasaulio asmenybės, savo sričių pionieriai ir didžiausių mokslinių proveržių autoriai kovo viduryje atvyksta į Vilniuje jau 60 kartą rengiamą tarptautinę studentų fizinių ir gamtos mokslų konferenciją „Open Readings 2017“. Joje pranešimus skaitys ir aštuoni kviestiniai lektoriai iš šešių pasaulio valstybių. Organizatoriai su garsiausiais mokslininkais kviečia susipažinti iš arčiau.

Molekulinės mašinos, atvedusios į Nobelio premiją

2016 m. Nobelio premija chemijos srityje skirta už molekulinių mašinų suprojektavimą ir sintezę. Šią premiją pasidalijo Jeanas Pierre‘as Souvage‘as, seras J. Fraseris Stoddartas ir Bernardas L. Feringa. Pastarasis skaitys paskaitą Nacionaliniame fizinių ir technologijos mokslų centre.

B. Feringa laikomas vienu produktyviausių ir kūrybingiausių pasaulio chemikų, kuris padėjo pakelti šią mokslo šaką į naują lygmenį. Dar 1999 m. jam su kolegoms kilo mintis sukurti robotą, kurio aukštis būtų tūkstančius kartų mažesnis už plauko skersmenį. Tokio dydžio robotas veiktų lyg mašina, laisvai judėdamas ir atlikdamas daugybę funkcijų mūsų vidinėse ląstelėse. Profesoriaus iš Olandijos pirmtakai sukūrė tokio roboto pamatines sudedamąsias dalis: katenanus ir rotaksanus. Katenanus sudaro dviejų žiedinių molekulių grandinėlės, o rotaksanų molekulės savo geometrija primena ašį, ant kurios gali būti uždedamos minėtos žiedinės molekulės. Nors toks miniatiūrinis robotas patrauklus, jis buvo stacionarus. Čia pagrindinį vaidmenį suvaidino būtent B. Feringa, sugalvojęs, kaip tokį robotą priversti judėti.

Mokslininko sprendimas buvo netikėtas, nes buvo pasinaudota dviguba molekuline jungtimi. Ši įprastai nesisuka aplink savo ašį, nes yra sudaryta taip, kad bandant pasukti vieną molekulės fragmentą ryšys nutrūksta. Tačiau mokslininkas tai įgyvendino molekulę veikdamas išorine didelės energijos ultravioletine šviesa. Įspūdingiausia tai, kad toks molekulinis variklis yra pajėgus judinti objektą, kuris savo matmenimis net dešimt tūkstančių kartų didesnis už jį patį. Eksperimento metu B. Feringa įdėjo molekulinius variklius į skystąjį kristalą. Procentinė variklių dalis kristale siekė tik apie vieną procentą. Nepaisant to, ant kristalo paviršiaus padėjęs stiklinį cilindrą ir paveikęs skystąjį kristalą ultravioletine šviesa, mokslininkas stebėjo cilindro sukimąsi, vykusį būtent dėl molekulinių variklių judėjimo. Šiuo metu eksperimentai sėkmingai tęsiami su nanodalelėmis ir kitais mažais objektais.

Nors molekuliniai varikliai yra dar tik ankstyvoje vystymosi stadijoje, galima įžvelgti analogiją su elektriniais varikliais. Taigi matomas milžiniškas potencialas: molekulines mašinas bus galima panaudoti naujoms medžiagoms, jutikliams ir energijos saugojimo sistemoms kurti. Šis pasaulinio lygio proveržis bus taikomas dideliu tikslumu tiekiant vaistus į sunkiai pasiekiamas žmogaus kūno sritis.

Pasaulio pažinimas naujų dalelių beieškant

Prieš beveik dešimt metų pasaulis su milžinišku susidomėjimu stebėjo Didžiojo hadronų greitintuvo (LHC) paleidimą. Tuomet šiuo projektu buvo siekiama atskleisti vieną iš didžiausių fizikos mįslių: ar egzistuoja vadinamoji „dieviškoji dalelė“, kuri padėtų suvokti visatos prigimtį ir rasti atsakymus į daugelį kitų klausimų. Dėl eksperimentų, kuriems vadovavo Europos branduolinių tyrimų organizacija (CERN), žinome, kad „dieviškoji dalelė“ (Higgso bozonas) tikrai egzistuoja, bet tyrimai nesibaigia. Prie viso to prisidėjo ir į dar neatsakytus klausimus atsakymų ieško buvęs ilgametis CERN teorinio skyriaus vedlys Johnas Ellisas.

Jis yra universalus daugelio sričių specialistas, savo moksliniame kelyje daug laiko skyręs dalelių fizikai, didelį indėlį įnešęs tiek į astrofiziką, tiek į kosmologiją ir net į kvantinę gravitaciją.

Nors J. Ellisas yra vienas garsiausių ir daugiausiai cituojamų teorinės fizikos atstovų pasaulyje, dauguma jo mokslinių straipsnių susiję su eksperimentais. Šis genialus fizikas tiesia tiltus tarp teorinio ir eksperimentinio darbo, interpretuodamas naujausių tyrimų rezultatus ieškant egzotinių dalelių. Kai visas pasaulis bandė surasti Higgso bozoną, numatytą Standartinio modelio dalelių fizikoje, šis mokslininkas pasiūlė naują procesą: Higgso spinduliavimą. Anot J. Elliso, Higgso spinduliavimo metu Higgso bozonas yra spinduliuojamas iš laikinojo Z bozono. Ši mintis buvo tartum raktas, leidęs pagaliau atrasti Higgso bozoną didžiajame elektronų–pozitronų priešpriešinių srautų greitintuve 2011 m. Milžiniškame žiediniame greitintuve, sudarytame iš daugybės magnetų, krūvį turinčios dalelės nukreipiamos apskritimine trajektorija. Dalelės pagreitinamos, elektronai su protonais susiduria ir anihiliuoja sukurdami laikinąsias daleles: fotonus ir Z bozonus. Šios laikinos dalelės beveik akimirksniu skyla į kitas elementariąsias daleles, kurios fiksuojamos milžiniškais dalelių detektoriais.

J. Ellisas, be minėtų atradimų, sugebėjo įžvelgti sąsają tarp dalelių fizikos ir kosmologijos, taip sukurdamas naują fizikos sritį – dalelių astrofiziką. Supersimetriniai modeliai, jų sąsaja su tamsiąja medžiaga, kvantinė gravitacija, stygų teorija, dalelių astrofizika – visa tai yra jo tyrimų sritys.

THz spinduliuotė – saugesnio pasaulio link

Terahercinių (THz) spindulių technologija – viena nuostabiausių šio amžiaus technologinių krypčių. Nors žmogaus akimi nematoma spinduliuotė atrasta prieš šimtmetį, tik dabar mokomasi ją teisingai panaudoti. THz pasyvaus vaizdo formavimo technologija gali nustatyti objektus pagal jų savaime skleidžiamus spindulius. Ši technologija vystėsi lėtai, nes THz spindulius nelengva detektuoti. Juos greitai sugeria vandens molekulės, kitaip tariant, vaizdinimo kokybė stipriai priklauso nuo vandens kiekio ore. Būtent ši priklausomybė ilgai laikyta technologijos Achilo kulnu. Tačiau šis trūkumas įveiktas pažvelgus į problemą kitu kampu.

Kinų-amerikiečių fiziko Xi-Cheng Zhang tyrimai susiję su THz spinduliuotės generavimu, detekcija ir taikymais. Daugiau kaip 29 patentų savininkas taip pat yra ir NATO Jutiklių ir elektronikos technologijų grupės pirmininkas. Jis pasiūlė netikėtą sprendimą, kaip nuotoliniu būdu detektuoti THz spinduliuotę, skleidžiamą objektų, vandens garams jos dar nesugėrus. Xi-Cheng Zhang pasitelkė paprastą gudrybę – panaudojo ne vieną, o du lazerio pluoštus, juos nukreipdamas į sritį prie pat objekto. Lazerių spinduliuotė sušildo šalia objekto esantį orą jį paversdama plazma, o pro ją sklindančių objekto THz spindulių signalai sustiprėja pakankamai, kad būtų sėkmingai užfiksuojami toli nuo objekto.

Šio mokslininko sprendimas leido sukurti vaizdo kameras, kurios gali aptikti ginklus, narkotikus, sprogmenis ir kitas pavojingas medžiagas, paslėptas po daiktais ar drabužiais net keliasdešimties metrų atstumu. Ypač įspūdinga tai, kad, priešingai nei daugelis šiuo metu naudojamų metodų, tai gali būti vykdoma objektui judant. Šis išradimas gali sukelti tikrą revoliuciją saugos ir gynybos pramonėje, nes ši spinduliuotė visiškai nekenksminga.

Kova su vėžiu panaudojant nanodaleles

Vėžys yra viena opiausių ir skaudžiausių šių laikų problemų. Ši liga gali pažeisti bet kurį organą ir audinį, o efektyvus gydymas vis dar neatrastas. Inovatyvią metodiką siūlo bioinžinierė, nanotechnologijų srities pionierė ir įmonės „Nanospectra Bioscences“ steigėja Naomi Halas.

Jau dešimtmetį ji plėtoja fotošilumines terapijas, gydančias nuo vėžio ir kitų susirgimų. Šiuo metodu kovojant su vėžiu naudojami lazeriai, bet didelės energijos spinduliuotė turi būti preciziškai valdoma, kad nepažeistų aplink naviką esančių sveikų ląstelių. Mokslininkė įveikė šį barjerą sukūrusi naujos rūšies nanodaleles – mažus stiklinius nanoapvalkalus, padengtus aukso sluoksniu. Tokių nanodalelių optinės savybės yra itin patrauklios biotechnologijų taikymuose.

Skirtingų formų ir dydžių aukso nanodalelės gali sugerti infraraudonąją šviesą. Būtent ši šviesos spektro dalis lengvai prasiskverbia per mūsų audinius nepažeisdama sveikų ląstelių. N. Halas pirmuosius eksperimentus atliko su vėžiu sergančiomis pelėmis. Mokslininkė parodė, kad nanodalelės kaupiasi aplink naviką. Šią sritį veikiant spinduliuote, nanodalelės sugeria šviesą, ir generuojama šiluma sušildo naviko ląsteles. Sušilusios iki tam tikros temperatūros (apytiksliai 55 laipsnių) naviko ląstelės miršta, o aplink esančios lieka nepažeistos. Be to, atsiveria ir vaistų transportavimo galimybė: sušildžius nanodaleles galima išleisti jose esančius vaistus prie pat naviko nenaudojant chemoterapijos, kas palengvintų gydymo procesą.

Nuo 2008 m. fotošiluminės terapijos tyrimai atliekami su žmonėmis. „Nanospectra Bioscences“ atlieka bandomuosius tyrimus su galvos, kaklo bei plaučių vėžiu. Nanodalelės suleidžiamos į kraują dieną prieš gydymą. Tiek laiko prireikia nanodalelėms pasiekti auglį. Kadangi jos padengiamos kombinuotu polietileno glikolio sluoksniu, nesudirgina organizmo imuninės sistemos. Kiekviena jų yra 20 kartų mažesnė už raudonuosius kraujo kūnelius. Tokio dydžio jos nepavojingos žmogui, nes yra pašalinamos per kepenis ir inkstus. Gydymo metu lazerio spindulys patenka į kūną per kateterį. Toks procesas vadinamas kateterine abliacija. Nanodaleles lengva aptikti su vaizdinimo sistema, todėl šią technologiją galima taikyti ir diagnostikai.

Su minėtomis nanodalelėmis siejamos didelės viltys gydant vėžį: mokslininkės svajonė – pasaulis be vėžio. N. Halas dėka invazinės operacijos ir pašalinių poveikių turintys vaistai nebus reikalingi.

Konferencija atvira visiems mokslo entuziastams

Konferencijoje dalyvaus ne tik jau išvardyti, bet ir kiti mokslo pasaulyje žinomi asmenys: Tūkstantmečio technologijų premijos laureatas, Amerikos mokslininkų draugijos įvertintas kaip vienas iš 50 geriausių pasaulio mokslininkų ir vienas iš daugiausia cituojamų chemikų – inovatyvių saulės elementų išradėjas Michaelas Graetzelis, su kuriuo siejama saulės energetikos ateitis. Taip pat atvyks naujo tipo šviesolaidžių išradėjas Philipas Russellas ir vienas pagrindinių genų redagavimo bendruomenės narių Robinas Lovell-Badge’as.

Pranešimus skaitys ir savo darbus pristatys daugiau nei 300 studentų ir jaunųjų mokslininkų iš daugiau nei 15 Europos šalių. Pasiklausyti pranešimų ir dalyvauti diskusijose kviečiami visi mokslo entuziastai. Dalyvavimas nemokamas. Konferencija vyks kovo 14–17 d. Nacionaliniame fizinių ir technologijos mokslų centre.