Журнал "Компьютерра" №706

Большая польза большой науки

Авторы: Дмитрий Шабанов, Галактион Андреев, Евгений Гордеев

Нобелевский комитет, кажется, решил оправдаться за свои прошлогодние "проамериканские настроения" (см. "КТ" #657). На сей раз премии по естественнонаучным дисциплинам, традиционно попадающие в сферу внимания нашего журнала, распределились между пятью лауреатами из Великобритании, Германии, США и Франции. Начнем, пожалуй, с физики, поскольку именно здесь практическая польза от отмеченных наградой научных изысканий выглядит наиболее наглядно и овеществленно.

Нобелевская премия по физике в этом году присуждена Альберту Ферту (Albert Fert [1]) и Петеру Грюнбергу (Peter Grunberg [2]) за открытие гигантского магниторезистивного эффекта. Это открытие 1988 года нобелевский комитет счел датой рождения спинтроники и нанотехнологий. Гигантская магниторезистивность с конца девяностых годов используется в считывающих магнитных головках винчестеров и все последние годы обеспечивает быстрый рост емкости жестких дисков настольных компьютеров, а также ноутбуков и других мобильных устройств.

Французский ученый Альберт Ферт родился в 1938 году и многие годы проработал в Южном Парижском университете в пригороде Орсэй, профессором которого является и поныне. Немец Петер Грюнберг на год моложе. Он профессор Института физики твердого тела в Юлихском исследовательском центре. Гигантский магниторезистивный эффект - сильную зависимость электрического сопротивления от внешнего магнитного поля в "бутербродах" из нанопленок железа и хрома - ученые обнаружили практически одновременно и независимо.

Обычную зависимость электрического сопротивления ферромагнитных материалов вроде железа от внешнего магнитного поля впервые наблюдал еще лорд Кельвин ровно 150 лет тому назад. Этот слабый эффект, менявший сопротивление примерно на один процент, использовали в магнитных головках жестких дисков и различных датчиках, однако уже в 1980-е годы стало ясно, что все мыслимые возможности повышения чувствительности уже исчерпаны. Поэтому открытие нового физического эффекта пришлось весьма кстати, и он быстро нашел путь к массовому производству.

Строго говоря, гигантская магниторезистивность - сложное квантовое явление, связанное с непрямым взаимодействием спинов ядер и электронов в близко расположенных слоях ферромагнетиков через спины электронов проводимости. Но его суть можно понять и на сильно упрощенной модели.

Рассмотрим два нанослоя магнитного материала железа, разделенные слоем немагнитного хрома [3]. Электрическое сопротивление в проводниках возникает в основном из-за того, что свободные электроны рассеиваются с прямого пути на атомах, отклонившихся со своего места из-за тепловых колебаний. В магнитных материалах электроны со спином, ориентированным вдоль направления намагниченности, рассеиваются заметно слабее, чем электроны с противоположно направленным спином. Поэтому после прохождения первого слоя в электрическом токе будут преобладать электроны с определенно направленным спином. Если следующий слой намагничен в ту же сторону, эти электроны и его пройдут почти без рассеяния, и электрическое сопротивление всего "бутерброда" будет мало [3a]. Но если второй слой намагничен в другую сторону, эти электроны в нем начнут активно рассеиваться, и полное электрическое сопротивление сильно возрастет, поскольку электроны с "правильным" спином уже почти все рассеялись в первом слое [3б].

Именно такой спиновый вентиль используется в считывающих магнитных головках жестких дисков. Намагниченность первого слоя в них фиксирована, а второй слой изготовлен из магнитомягкого материала, и направление его намагниченности легко изменяется слабым полем активного слоя на поверхности пластины жесткого диска. По сути дела, эти магнитные головки являются первыми спинтронными устройствами, нашедшими действительно массовое применение. А поскольку толщина слоев должна быть порядка нанометров, иначе электроны по пути "забудут" свой спин, это одно из первых массовых применений нанотехнологий.

Открытие гигантского магниторезистивного эффекта стимулировало массу новых исследований. Если слой немагнитного материала заменить тонким слоем диэлектрика, сквозь который электроны смогут туннелировать, то можно наблюдать туннельный магниторезистивный эффект, величина которого, как показывают недавние результаты, на порядок больше.

Основанная на этом эффекте энергонезависимая магнитная память с произвольным доступом (MRAM) уже появилась на рынке. В некоторых материалах наблюдается так называемый колоссальный магниторезистивный эффект, который еще на порядок больше (но пока он требует слишком сильных магнитных полей). Впрочем, сегодня трудно предвидеть, какие компьютерные технологии появятся благодаря этому открытию.

Нобелевская премия по химии досталась Герхарду Эртлу (Gerhard Ertl [4], 1936 года рождения) из берлинского института Фрица-Габера "за изучение химических процессов на поверхностях твердых тел".

Одним из важнейших направлений в этой области химии является гетерогенный катализ, чрезвычайно широко применяющийся в промышленности. Например, процесс получения аммиака путем взаимодействия азота и водорода с использованием железа в качестве катализатора является основой для синтеза азотсодержащих удобрений (он был открыт немецкими химиками Фрицем Габером и Карлом Бошем, за что Габер удостоился Нобелевки по химии в 1918 году).

Гетерогенный катализ заключается в ускорении химических реакций чаще всего между газообразными или жидкими реагентами на поверхности твердого катализатора. На первой стадии происходит адсорбция молекул реагентов на поверхности катализатора. Дальнейшее взаимодействие катализатора и молекул реагентов приводит к активации последних и облегчает протекание реакции. В деле синтеза аммиака заслугой Эртла является исследование механизма процесса Габера-Боша и его лимитирующей (самой медленной) стадии. Снижение потенциального барьера лимитирующей стадии позволяет ускорить весь процесс.

Исследования Эртла помогают понять, как происходит, например, коррозионное разрушение железа. Он впервые изучил поведение водорода на поверхности металлов, что позволяет управлять процессами в топливных элементах. Исследование каталитической активности платины в реакции с монооксидом углерода сыграло большую роль для создания автомобильных катализаторов, с помощью которых токсичный угарный газ превращается в безвредную углекислоту. Химия поверхностных явлений добралась даже до стратосферы, где молекулы озона, как выяснилось, распадаются на поверхности частичек льда. Знание механизма этого процесса, возможно, позволит управлять динамикой изменения озонового слоя Земли. Химические процессы на поверхности актуальны и для индустрии полупроводников.

Изучение химических явлений на поверхности сопряжено со значительными экспериментальными трудностями. Очищенная поверхность, например, металла обладает относительно высокой химической активностью, поэтому для получения надежных результатов об индивидуальных химических реакциях измерения нужно проводить в вакууме, дабы уберечь поверхность от лишних химических контактов (такие вакуумные технологии были впервые отработаны в недрах полупроводниковой промышленности в 1960-х годах). Изучив явления на поверхностях индивидуальных веществ, можно перейти к исследованию влияния примесей на протекание гетерогенных каталитических реакций. Решение этих проблем вылилось в создание Эртлом целой школы химиков-экспериментаторов, работающих в области химии поверхностных явлений. А методики, созданные школой Эртла, взяты на вооружение многими лабораториями мира.

Как известно, биология (якобы наука XXI века) не удостоилась отдельной Нобелевской премии, и биологи получают награды за открытия в области медицины и физиологии. Впрочем, работа, отмеченная в этом году, имеет прямое отношение именно к медицине. Нынешняя премия попадет в руки троих ученых: американцев Марио Капекки (Mario R. Capecchi [5], 1937 года рождения) и Оливера Смитиса (Oliver Smithies [6], 1925), а также англичанина сэра Мартина Эванса (Martin J. Evans [7], 1941) за разработку способа "введения специфических генных модификаций в организмы мышей с использованием эмбриональных стволовых клеток" или, иначе, за генный нокаут (gene knockout).

Понятно, что лечить болезни нужно, дотягиваясь до самого глубинного уровня регуляции. Если болезнь связана с работой (экспрессией) какого-то гена, нужно этот ген остановить; если включение какого-то гена может вызвать выздоровление, нужно этот ген включить. Какие-никакие способы воздействия на определенные участки генома уже разработаны. Генные тексты - последовательности нуклеотидов в типичных геномах - прочитаны уже для многих видов. По характерным признакам (например, регуляторным фрагментам) в этих последовательностях можно опознать участки, соответствующие отдельным генам. Осталась "малость" - понять, какой ген за что отвечает. Однако задача описания взаимодействия результатов активности генов неизмеримо превосходит по сложности любую из задач, решавшихся человечеством. Но как-то ведь подходить к этой глыбе надо! И вот тут выясняется, что способ, предложенный победителями самого престижного научного конкурса, - лучшее, до чего удалось додуматься современным ученым.

Как узнать функцию какой-то детали в сложной системе? Сломать ее и посмотреть, что изменится! Как сломать ген? Выключить его с помощью методов генной инженерии ("ударив" молекулярно-биологическими методами в точку, определенную благодаря расшифровке геномных последовательностей). Как сделать, чтобы интересующий нас ген был выключен во всем организме? Вырубить его в одной клетке, а потом вырастить из нее целый организм. Каким образом? Использовать эмбриональные стволовые клетки. Можно ли это сделать с человеком? Нет, с человеком нельзя, а вот с мышами можно. И основы этой технологии были заложены лауреатами премии около двадцати лет назад.

Итак, получить престижную премию нетрудно. Нужно осознать специфическую технологическую потребность науки на завтрашнем этапе ее развития, придумать способ ее удовлетворения и разработать соответствующие методики.

Трое "именинников" не работали вместе. Капекки интересуют различные формы рака и сердечных нарушений, Смитиса - гипертония и нарушения синтеза гемоглобина, а Эванса - муковисцидоз и рак молочных желез. Однако каждый из них, решая свои задачи, способствовал прогрессу технологий, имевших более широкое применение. Найден целый ряд ключевых точек, ответственных за генезис заболеваний мышей (а значит, с высокой степенью соответствия, и людей). Прорыва в лечении болезней нет, но они неизбежны. И те, кого за такие прорывы когда-нибудь премируют, наверняка будут использовать или генный нокаут, или полученные с его помощью сведения.

Из примерно 20 тысяч генов мыши на сегодня нокаутирована примерно половина. Получена масса ценной информации. Пройдет не так много времени, и будет известен эффект от выключения любого гена по отдельности. Вы думаете, что тогда человечество поймет, как функционирует мышиный геном? Да на это никаких Нобелевских премий не хватит!