Журнал "Компьютерра" №727
Шрифт:
Сколько безумцев пыталось объявить войну нефтяной и газовой промышленности! С одной стороны, понятно, что цивилизация, зависящая от невозобновляемых ресурсов, не может существовать бесконечно долго. Если мы сжигаем за год столько ископаемой биомассы, сколько накапливалось в биосфере за миллион лет, скоро нам придется остановиться. В лучшем случае остановка будет связана с изменением способа получения энергии, в худшем - с коллапсом цивилизации. С другой стороны, подавляющее большинство выпадов в сторону нефтегазовой энергетики до сих пор было чистой воды донкихотством. Например, использование топливного этанола,
Сейчас вызов нефтяной зависимости бросил один из самых экстравагантных ученых и бизнесменов современности. Крейг Вентер - тот самый "частник", который не уступает государственным структурам в работе по расшифровке генома человека (расшифровывая при этом свой собственный геном). Последние усилия Вентера и созданного им института связаны с подготовкой к созданию искусственной жизни. Понятно, что когда такой человек публично дает обещания, к ним следует внимательно прислушиваться.
Итак, Вентер объявил, что через полтора года выведет микроорганизм, который сможет производить топливные углеводороды из углекислого газа, получаемого прямиком из атмосферы. Зачем качать из недр нефть, если топливо можно добывать буквально из воздуха? Бактерии, которые обещает создать Вентер, должны быть эффективными и безопасными. Чтобы не дать им "убежать" из производственных емкостей, в них планируется встроить ген-"предохранитель", вызывающий смерть бактерий в естественной среде.
Но, увы, все не так просто. Бактерии (точнее, архебактерии), синтезирующие углеводороды (прежде всего метан) из углекислоты, известны и используются давно. Загружаем в ферментер органику, перекрываем доступ кислороду. Одни микроорганизмы в ходе брожения выделяют углекислоту и водород, а другие (те самые метаногены) восстанавливают углекислый газ и производят метан. Что мешает интенсифицировать этот процесс?
Для деятельности бактерий, которые могут восстанавливать углекислоту, нужна восстановительная (например, водородная) среда. Даже небольшие количества кислорода непоправимо нарушат желаемый биохимический процесс. А ведь на самом деле, имея водород, можно уже не производить углеводороды, а сразу использовать его в качестве топлива. Так или иначе, на производство восстановителей нужно затратить энергию, которую необходимо сперва откуда-то взять. Вентер планирует какой-то иной способ снабжения бактерий энергией? И если да, то какой? Как ее будут получать - вероятно, не благодаря сжиганию нефти, а как-то иначе? А если эта энергия будет получена, не проще ли накопить ее в аккумуляторах электромобилей, чем тратить на сложный биохимический процесс, который, в силу второго начала термодинамики, пойдет со значительными потерями? А еще энергия нужна не только для восстановления углекислоты, но и для ее концентрации. В окружающей нас атмосфере содержатся доли процента углекислого газа и два десятка процентов кислорода. Как сконцентрировать сырье, убрав из предлагаемой бактериям газовой смеси нежеланный окислитель - кислород? В лабораторных условиях это сделать нетрудно, но затраты энергии на это превышают выгоду, которую можно получить в конечном счете. В общем, пока больше вопросов, нежели вразумительных ответов.
Вызывает сомнение и идея Вентера об использовании "генов самоубийства", которым предписано уничтожать вырвавшиеся на волю бактерии. При скорости размножения, свойственной этим организмам, мутация, дезактивирующая "ген самоубийства", будет найдена в короткие сроки. Кстати, похожие гены, вызывающие апоптоз (самоуничтожение клетки), встроены и в наши геномы. Увы, любая раковая опухоль - победа стремления клеток к неограниченному размножению и расселению над ограничениями встроенных в них генетических регуляторов.
Ну что ж, некоторые проблемы, с которыми столкнется бактериальная энергетика, мы назвали. Остается только позлорадствовать, ожидая крушения планов "Билла Гейтса от биотехнологии", как называют Крейга Вентера?
Старую загадку о природе излучения кремниевых наночастиц удалось разгадать команде европейских ученых, координируемой из Института нанофизики и химии в Леувене (Leuven), Бельгия. Оказывается, главную роль здесь играют дефекты, а при их отсутствии в дело вступают квантовые размерные эффекты.
Как известно, кремний, прекрасно справляясь с ролью основного материала всей электронной индустрии, не способен эффективно излучать свет. И этот его недостаток сильно тормозит развитие фотоники и интеграцию оптических технологий в современные компьютеры. Для излучения приходится использовать другие полупроводники, что сильно усложняет и удорожает технологию производства чипов. Дело в том, что у кремния так называемая непрямая запрещенная зона между энергетическими уровнями валентных и свободных электронов, что не дает электрону просто перепрыгнуть с уровня на уровень, излучив при этом фотон. И все многочисленные попытки как-то обойти это свойство электронной структуры кремния пока не привели к ощутимым успехам.
Радужные надежды на простое решение проблемы возникли около пятнадцати лет назад, когда было открыто свечение пористого кремния. С тех пор не утихают жаркие споры о механизме этого явления. Позже интерес с пористых образцов плавно сместился на изучение кремниевых наночастиц, но ситуация яснее не стала, и все попытки методом научного тыка заставить наночастицы излучать достаточно эффективно пока оканчиваются пшиком.
Эксперименты, проведенные за эти годы несколькими научными группами, позволили выявить два основных механизма, которые могут отвечать за излучения. Дефекты в наночастицах способны искажать электронную структуру кремния и облегчать электронам переходы между энергетическими уровнями. Второй механизм излучения возникает благодаря тому, что размеры наночастиц сопоставимы с квантовой длиной волны электронов, что также изменяет энергетические уровни. Но что важнее? Спектр излучения дефектов и "поверхности" наночастиц очень похожи, и понять, что же на самом-то деле светит, долго не удавалось.
Чтобы ответить на этот вопрос, ученые поместили наночастицы в сильное магнитное поле. Оно "сдавливает" электроны, движение которых ограничивается "магнитной длиной", уменьшающейся с ростом напряженности поля. Дело в том, что характерный размер области движения электрона вокруг дефекта - около одного нанометра, размер частиц - 3–5 нм, а поле можно выбрать так, чтобы магнитная длина оказалась посередине. И тогда, если излучают границы, свечение должно слегка измениться, а если дефекты - остаться прежним.
Оказалось, что излучение обычных наночастиц в сильном магнитном поле не изменяется, а это значит, что главный вклад вносят дефекты. Но если дефекты удалить, отжигая наночастицы в атмосфере водорода, то включение поля дает сдвиг спектра, что свидетельствует о вкладе квантовых размерных эффектов. Но если вернуть наночастицам дефекты, облучая их ультрафиолетовым светом в вакууме, все опять возвращается на свои места.
Теперь, когда механизм излучения нанокремния стал понятен, вновь появляется надежда, что ученые смогут найти пути увеличения эффективности свечения наночастиц. И тогда дешевые кремниевые светодиоды и лазеры буквально произведут революцию в компьютерной технике за счет появления быстрых оптических линий передачи данных внутри процессоров, между чипами на платах и различными устройствами. ГА
Группа американских ученых под руководством доктора Стюарта Силфона (Stuart Sealfon) из Нью-Йоркского медицинского колледжа (New York’s Mount Sinai School of Medicine) утверждает, что нашла общую биохимическую основу эффектов, вызываемых диэтиламидом лизергиновой кислоты (LSD), и галлюцинаций, сопровождающих течение некоторых психических заболеваний. Исследователи полагают, что их работа приведет к созданию новых препаратов, способных помочь при таких заболеваниях, как маниакально-депрессивный психоз и шизофрения.