Ryškiausios mokslo ir technologijų pasaulio asmenybės, savo sričių pionieriai ir didžiausių mokslinių proveržių autoriai kovo 14-17 d. atvyksta į Vilniuje vyksiančią tarptautinę studentų fizinių ir gamtos mokslų konferenciją „Open Readings 2017“. Organizatoriai kviečia susipažinti su jais iš arčiau.

Molekulinės mašinos atvedusios į Nobelio premiją

2016 m. Nobelio premija chemijos srityje skirta už „molekulinių mašinų suprojektavimą ir sintezę". Šią premiją pasidalino Jean-Pierre Souvage, seras Fraser Stoddart ir Ben Feringa. Būtent Ben Feringa skaitys paskaitą Nacionaliniame fizinių ir technologijos mokslų centre.

Ben Feringa yra laikomas vienu produktyviausių ir kūrybingiausių pasaulio chemikų, kuris padėjo pakelti šią mokslo šaką į naują lygmenį. Dar 1999 m. jam ir jo 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 Ben Feringa. Jis sugalvojo kaip tokį robotą priversti judėti.

Feringa sprendimas buvo netikėtas, nes jis pasinaudojo 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 yra tai, kad toks molekulinis variklis yra pajėgus judinti objektą, kuris savo matmenimis yra net dešimt tūkstančių kartų didesnis už jį patį. Eksperimento metu Feringa patalpino molekulinius variklius į skystąjį kristalą. Procentinė variklių dalis kristale buvo nedidelė, 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 savo vystymosi stadijoje, galima įžvelgti analogiją su elektriniais varikliais. Taigi matomas milžiniškas potencialas: molekulines mašinas bus galima panaudoti kuriant naujas medžiagas, jutiklius ir energijos saugojimo sistemas. Šis pasaulinio lygio proveržis bus taikomas dideliu tikslumu tiekiant vaistus į sunkiai pasiekiamas žmogaus kūno sritis. Ben Feringa atradimas – raktas link nanomašinų ir nanorobotų eros.

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 bei rasti atsakymus į daugelį kitų klausimų. Eksperimentai vadovaujami Europos branduolinių tyrimų organizacijos (CERN) pasiekė išties daug – šiai dienai jau žinome, kad „dieviškoji dalelė“ (Higgs bozonas) tikrai egzistuoja, bet tyrimai nesibaigia. Prie viso to stipriai prisidėjo ir į dar neatsakytus klausimus atsakymų ieško buvęs ilgametis CERN teorinio skyriaus vedlys John Ellis.

John Ellis – universalus daugelio sričių specialistas, savo moksliniame kelyje labai daug laiko skyręs dalelių fizikai, didelį indėlį palikdamas tiek astrofizikos, tiek kosmologijos ir net kvantinės gravitacijos srityse. 

Nors Ellis vienas garsiausių ir daugiausiai cituojamų teorinės fizikos atstovų pasaulyje, dauguma jo mokslinių straipsnių yra susiję su eksperimentais. Šis genialus fizikas stato tiltus tarp teorinio ir eksperimentinio darbo, interpretuodamas naujausių tyrimų rezultatus ieškant egzotinių dalelių. Kuomet visas pasaulis bandė surasti Higgs bozoną, numatytą Standartinio modelio dalelių fizikoje, Ellis pasiūlė naują procesą: Higgs spinduliavimą. Pagal mokslininką, Higgs spinduliavimo metu Higgs bozonas yra spinduliuojamas iš laikinojo Z bozono. Ši mintis buvo kertinis akmuo ir tartum raktas leido pagaliau atrasti Higgs bozoną didžiajame elektronų-pozitronų priešpriešinių srautų greitintuve 2011 metais. Milžiniškame žiediniame gretintuve, 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. 

Ellis kasdien palieka vis didesnį indėlį į žmonijos žinių bagažą. Be minėtų atradimų, jis  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, kaip ją teisingai išnaudoti. THz pasyvaus vaizdo formavimo technologija gali nustatyti objektus pagal jų savaime skleidžiamus spindulius. Ši technologija vystėsi lėtai, nes THz spindulius nėra lengva detektuoti. Juos greitai sugeria vandens molekulės, kitaip tariant, vaizdinimo kokybė stipriai priklauso nuo vandens kiekio ore. Būtent ši priklausomybė buvo ilgai laikoma technologijos Achilo kulnu. Tačiau šis trūkumas įveiktas pažvelgus į problemą kitu kampu.

Xi-Cheng Zhang – kinų-amerikiečių fizikas, kurio tyrimai susiję su THz spinduliuotės generavimu, detekcija ir taikymais. Virš 29 patentų savininkas taip pat yra ir NATO Jutiklių ir Elektronikos Technologijų grupės pirmininkas. Jis pasiūlė netikėtą sprendimą kaip nuotoliniu būdu galima būtų detektuoti THz spinduliuotę, skleidžiamą objektų, vandens garams jos dar nesugėrus. Xi-Cheng Zhang pasitelkė paprastą gudrybę – jis panaudojo ne vieną, o du lazerio pluoštus, juos nukreipiant 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 nuostabaus mokslininko sprendimas leido sukurti vaizdo kameras, kurios gali aptikti ginklus, narkotikus, sprogmenis ir kitas pavojingas medžiagas paslėptas po daiktais ar žmogaus rūbais net keliasdešimties metrų atstumu. Ypač įspūdinga yra tai, kad priešingai nei daugelis šiuo metu naudojamų metodų, tai gali būti vykdoma net objektui, pavyzdžiui žmogui, judant. Šis išradimas gali padaryti tikrą revoliuciją saugos ir gynybos pramonėje, nes be paminėtų pliusų spinduliuotė yra ir visiškai nekenksminga. THz spindulių galimybės yra beveik beribės.

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 lig šiol nėra atrastas. Inovatyvią metodiką siūlo bioinžinierė, nanotechnologijų srities pionierė ir Nanospectra Bioscences įmonės steigėja Naomi Halas.

Jau dešimtmetį Halas vysto 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. Halas 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, o būtent ši šviesos spektro dalis lengvai prasiskverbia per mūsų audinius nepažeisdama sveikų ląstelių. Halas pirmuosius eksperimentus atliko su vėžiu sergančiomis pelėmis. Mokslininkė parodė, kad nanodalelės kaupiasi srityje 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 įmonė vykdo bandomuosius tyrimus kovoje su galvos, kaklo bei plaučių vėžiu. Nanodalelės suleidžiamos į kraują dieną prieš gydymą. Būtent tiek laiko prireikia nanodalelėms pasiekti auglį. Kadangi nanodalelės padengiamos kombinuotu polietileno glikolio sluoksniu, jos nesudirgina organizmo imuninės sistemos. Kiekviena jų yra 20 kartų mažesnė už raudonuosius kraujo kūnelius. Tokio dydžio jos nėra pavojingos žmogui, kadangi nepasilieka organizme – 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 būtų taikyti ir diagnostikai. 

Su minėtomis nanodalelėmis siejamos didelės viltys gydant vėžį: mokslininkės svajonė – pasaulis be vėžio. Halas dėka invazinės operacijos ir pašalinių poveikių turintys vaistai nebus reikalingi, o Nanospetra Biosciences gali tapti viena pirmųjų pasaulio įmonių, gavusių pritarimą šią technologiją pradėti taikyti praktikoje.

Konferencija atvira visiems mokslo entuziastams

Konferencijoje dalyvaus ne tik paminėti, bet ir kiti gerai mokslo pasaulyje žinomi asmenys: “Tūkstantmečio technologijų premijos” laureatas, Amerikos mokslininkų draugijos įvertintas vienu iš 50 geriausiųjų pasaulio mokslininkų ir vienas iš daugiausiai cituojamų chemikų – inovatyvių saulės elementų išradėjas Michael Graetzel, su kuriuo siejama saulės energetikos ateitis. Taip pat atvyks naujo tipo šviesolaidžių išradėjas Philip Russell bei vienas iš pagrindinių genų redagavimo bendruomenės narių Robin Lovell-Badge.

Pranešimus skaitys bei savo darbus taip pat pristatys daugiau nei 300 studentų ir jaunųjų mokslininkų iš daugiau nei 15 skirtingų 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, Vilniuje. Daugiau informacijos konferencijos tinklalapyje: www.openreadings.eu.