Новости от "ИНФОРМНАУКА"

26.03.2008

Новости от "ИНФОРМНАУКА"

  

"ИНФОРМНАУКА"

(http://www.informnauka.ru/)

 

Нанопористый углерод – сделать и использовать

Российские ученые разработали эффективный метод, позволяющий получать нанопористые углеродные материалы с заранее заданными свойствами и заранее заданной формы. Область применения получаемых материалов чрезвычайно широка: их можно использовать, например, в качестве сорбентов для очистки воды от особо вредных веществ, электродов суперконденсаторов, холодных эмиттеров, мембранных элементов и носителей катализаторов.

Удивительные технологии приходится изобретать ученым, чтобы сделать нанопористый углеродный материал, причем с заранее заданным размером пор. Зато, если получится – а у сотрудников легендарного питерского Физтеха, то есть Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН, это получается, и весьма успешно, то уж за охотниками использовать замечательный нанопористый материал дело не станет. Потому возможности его если не безграничны, то очень велики. Можно с его помощью удалять из воды супертоксиканты, а можно - сделать на его основе суперконденсаторы. Причем приставка «супер» в обоих случаях – значимая.

Сущность метода, разумеется, в простейшем изложении, такова. Порошки карбидов смачивают спиртом и прессуют, чтобы придать будущему изделию нужную форму. Затем его «пропитывают пироуглеродом». За этими словами – довольно сложный процесс, в ходе которого заготовку сильно нагревают, пропуская через нее природный газ – метан. Часть метана при этом разлагается на водород, который, естественно, улетает, и углерод, который осаждается на поверхности частиц карбида. Но это, можно сказать, еще цветочки. Потому что потом начинается самое интересное и самое неприятное.

«Пропитанную» заготовку нагревают еще раз, но теперь – в атмосфере хлора. Более активный хлор буквально «выпихивает» из карбидов атомы карбидообразующих элементов, в виде их летучих хлоридов и, покидая место действия, выходит из сферы реакции. А углерод остается.

Разумеется, атомы углерода немедленно собираются вместе, образуя довольно сложные структуры, отдельные элементы которых напоминают плоские слои, как в графите, только меньшего размера, этакие макромолекулы. После этого изделие можно еще раз отжечь – выдержать при высокой температуре, но уже в атмосфере инертного газа, чтобы не сгорело. При этом аморфный углерод имеет шанс «перестроиться» в кристаллические структуры в виде все тех же графитоподобных монослоев. В результате все изделие представляет собой углеродный каркас, пронизанный порами трех видов: микро, мезо, макропорами.

При разработке метода авторы использовали и уже известные подходы, и собственные «ноу-хау». Ведь ни в статьях, ни в патентах, как правило, нет тех тонкостей, которые только и позволяют реализовать написанные на листе бумаги химические реакции. Поэтому в ходе работы ученым пришлось провести огромную исследовательскую работу, чтобы выяснить, как параметры тех или иных технологических стадий влияют на свойства продукта, и научиться управлять процессом чтобы получать на выходе изделие с нужными свойствами: пористостью, размерами пор и их распределением, удельной поверхностью и прочностью. Кроме того, авторам пришлось даже разработать новые методы рентгеноструктурного анализа, чтобы определить параметры получающихся наноструктур. А еще нужно было вести процесс так, чтобы заданное количество пор оставалось «открытыми» - замкнутые поры для адсорбции непригодны.

В конечном итоге ученым удалось разработать научные основы технологии, которая позволяет получать нанопористые углеродные материалы с заранее заданными свойствами и заранее заданной формы – таблетки, мембраны, трубы, порошки и так далее. Возможности некоторых видов изделий из подобных материалов авторы уже опробовали. Например, выяснили, что нанопористый углерод позволяет очистить воду от примесей несимметричных диметилгидразинов – крайне токсичного ракетного топлива. Токсикант сорбируется в порах нанопористого углерода и, два-три раза пропустив через них загрязненную воду, можно очистить ее по крайней мере до уровня ПДК. Что же касается суперконденсаторов (электрохимических конденсаторов большой емкости), то важнейшая их часть – это нанопористый электрод из углерода с высокоразвитой поверхностью.

 

«Электронные носы» для экологов

Воронежские химики разработали и запатентовали серию устройств для контроля качества воздуха. Сенсорные системы, которые они сделали, позволяют определять наличие и содержание в воздухе различных его загрязнителей - таких как бензин, бензол, толуол, сероводород, фенол, формальдегид и другие.

Каких только более или менее вредных, а то и откровенно токсичных соединений ни летает в воздухе производственных помещений и просто свежеотремонтированных квартир! Однако всякий раз, когда экологам или представителям органов санэпиднадзора нужно определить, сколько же именно и каких токсикантов загрязняет атмосферу, им приходится проводить довольно сложный анализ с помощью дорогой крупногабаритной аппаратуры. Химики из Воронежской государственной технологической академии предлагают альтернативу – мультисенсорные системы для экспресс-оценки содержания в воздухе токсичных примесей. О результатах работы один из ее руководителей – доктор химических наук Татьяна Кучменко рассказала коллегам на Международном симпозиуме по «электронным носам и языкам» ISOEN-2007 (Санкт-Петербург).

В основе каждой системы, рассчитанной на определение тех или иных классов загрязнителей – компьютер и несколько так называемых пьезоэлектрических сенсоров (пьезоэлектрических микровесов). «Сердце» каждого такого сенсора – это пьезоэлектрический кварцевый резонатор. По сути, это тонкая кварцевая пластина, на поверхность которой нанесен тончайший слой вещества, способного с большей или меньшей избирательностью сорбировать из воздуха те или иные примеси. В качестве материалов таких покрытий, чувствительных к определенным классам соединений или к отдельным веществам, авторы используют самые разные пленки, порой специальным образом модифицированные, а также пчелиный воск, который, как оказалось, в некоторых случаях «работает» даже лучше, чем покрытия синтетические.

Когда на пластину подают напряжение, она вибрирует, причем частота ее колебаний – величина вполне определенная. Если же материал покрытия впитывает из воздуха какие-то соединения (одно или несколько), то вес чувствительной пленки увеличивается, и частота колебаний пластинки соответственно изменяется. Отсюда и возможность получить аналитический сигнал – количественный отклик системы на наличие примесей в воздухе. Если, разумеется, молекулы этих примесей эффективно адсорбируются материалом покрытия.

Тут начинается искусство. Если, например, нужно определять в воздухе только одно соединение, лучше всего такое, что его свойства резко отличаются от остальных присутствующих в атмосфере газов, то достаточно одного сенсора – разумеется, материал покрытия должен обладать специфической чувствительностью по отношению к этому соединению и ни к какому другому из тех, что есть в воздухе. Однако это довольно редкий случай. Гораздо чаще в воздухе несколько примесей, и один сенсор просто «путается» - в чувствительном слое сорбируется всего понемножку, и вклад каждой примеси оценить невозможно. Поэтому приходится брать несколько сенсоров с так называемой перекрестной чувствительностью – с разными покрытиями, каждое из которых чувствительно к нескольким компонентам, но лучше всего – к одному из них. Набор должен быть «необходимым и достаточным» чтобы определить все, что нужно, используя минимальное количество сенсоров. Разумеется, для обработки полученных результатов нужен компьютер и соответствующее программное обеспечение, которое ученые тоже разработали.

В результате многолетних исследований воронежским химикам удалось создать и запатентовать несколько мультисенсорных систем для экологического мониторинга токсичных примесей в воздухе. Устройства такого рода называют «электронные носы», поскольку, как и человеческие, они реагируют не на отдельные компоненты запаха, а на их совокупность. Причем некоторые из них позволяют выявить примеси сразу нескольких токсикантов, а другие – определить концентрацию одних вредных веществ на фоне других. При этом круг определяемых воронежскими «электронными носами» соединений чрезвычайно широк – это практически все растворители, сероводород, меркаптаны, фенол, ароматические амины и многие другие.

Важно и то, что разработанные авторами системы сравнительно недороги, а работают довольно долго и устойчиво. После каждого измерения ячейку нужно продуть чистым сухим воздухом, и она вновь будет готова к работе, причем пленки выдерживают сотни циклов сорбция-десорбция. А само измерение, то есть полный цикл, занимает несколько минут. Настоящий экспресс-анализ, причем портативный и действующий в режиме реального времени.

 

Приборная слежка за аэрозолями

Когда в воздухе начинают носиться микробы, специалистам следует об этом знать.

Специалисты ГНЦ ФГУП Государственного научно-исследовательского института биологического приборостроения разрабатывают прибор, который позволяет определять концентрацию биоаэрозолей в воздухе в режиме реального времени. Прибор может быть полезен в случае крупных техногенных аварий или террористических актов.

Сам факт присутствия в воздухе распыленных бактерий или вирусов установить довольно сложно. В настоящее время за санитарным состоянием атмосферы следят с помощью методов микробиологического анализа. Но они требуют времени, поэтому не пригодны для наблюдения за текущим состоянием воздуха. Современные приборы, созданные для контроля биологической обстановки, имеют низкую чувствительность, которая становится еще хуже, если воздух запылен. Кроме того, эти приборы не позволяют измерять текущую концентрацию бактерий.

Прибор, который разрабатывают в ФГУП ГосНИИБП, лишен этих недостатков. В основу его работы положен метод регистрации спектральных характеристик света, который рассеивают и излучают биологические частицы. В состав биологических аэрозолей входят ароматические соединения, которые обладают характерным поглощением в ультрафиолетовой области спектра и рассеивают свет в ультрафиолетовой и видимой областях. Интенсивность рассеяния света, который попадает на аэрозольную частицу, зависит от ее размера, коэффициента поглощения на конкретной длине волны и некоторых других параметров. Поэтому спектральные характеристики микробных аэрозолей позволяют их отличить от аэрозолей небиологического происхождения.

Прибор выполнен в виде отдельно расположенных блоков и основан на принципе проточно-оптического анализа частиц. Аэрозоль поступает в проточную камеру, а затем все частицы по одной пересекают пучок зондирующего света. Световые сигналы, отраженные частицей, поступают на фотоприемники, затем в усилитель, а оттуда на блок обработки информации, который, в конце концов, сообщает исследователю, присутствует ли в воздухе белковая аэрозоль, и если да, то какова ее текущая концентрация.

Эксперименты, проведенные на статической камере аттестованного аэрозольного испытательного статико-динамического стенда ФГУП ГосНИИБП, показали, что прибор определяет массовую концентрацию биоаэрозолей в режиме реального времени.

 

Ионный обмен в действии, или Кто спасет глаза космонавту

Ученые из Сибири разработали средство для защиты глаз при химических ожогах. Это похожие на контактные линзы пластинки, которые как по волшебству меняют опасные для нежных тканей глаза соединения, такие как кислоты, щелочи и некоторые другие, на другие, вполне нейтральные – например, воду.

Ученые из Кемеровской государственной медицинской академии вместе с инженерами-химиками завода «Карболит» (теперь он называется «Токем») разработали чрезвычайно действенное средство для лечения химических ожогов глаз. Это небольшие пластины, внешне напоминающие контактные линзы. В их матрице распределены частички так называемой ионообменной смолы. Если положить такую пластину под нижнее веко, можно достаточно быстро и эфективно удалить попавшую в глаз кислоту или щелочь, предотвратив или сведя к минимуму токсическое воздействие химикатов на нежные ткани глаза.

Разумеется, ни волшебства, ни фокуса в действии ГЛИВов (глазных лечебных ионообменных вкладышей) нет. В основе разработки – действие так называемых ионообменных смол – полимеров, способных к «ионному обмену», то есть таких, которые могут поменять связанные с полимерной цепью ионы (анионы или катионы) на другие, так же заряженные ионы из окружающего смолу раствора. Их так и называют – анионообменники и катионообменники. В принципе это давно и широко применяемый в химии метод, который используют, чтобы, например, очистить вещество от нежелательных ионов, заменив их нужными, одноименно заряженными. Кстати говоря, хотя слово смола для большинства неспециалистов ассоциируется с чем-то черным и липким, химики знают, что ионообменные смолы – это, как правило, полупрозрачные твердые шарики палево-желтого цвета, и довольно часто их используют.

Вот такие смолы и предложили использовать в офтальмологии ученые из кемеровского медицинского университета. Дело в том, что ожоги глаз кислотами и щелочами очень опасны, а средств их лечения, особенно средств скорой помощи, практически нет. Традиционно используемый метод предлагает как можно скорее промыть глаз водой, а затем – нейтрализующим раствором. Скажем, если в глаз попала кислота – то содой, а если щелочь – борной кислотой. Но это крайне неэффективно.

Конечно, водой и как можно скорее, глаз промыть надо. Но этого не достаточно. Дело в том, что и кислоты, и щелочи довольно быстро, в считанные минуты, проникают в ткань глаза, и продолжают разъедать их уже изнутри. И тут простое омывание водой уже не спасет. Более того, нейтрализация – это химическая реакция, которая не только ведет к изменению рН среды (кстати, чтобы среда получилась нейтральная, надо добавить точно известное количество реагента, в противном случае можно переусердствоавать, и положение только ухудшится), но и к образованию новых продуктов, которые тоже могут быть токсичны.

Метод, предложенный сибирскими учеными, от известных отличается принципиально – в лучшую сторону. Потому что работает «дозированно», а никаких продуктов реакции, кроме воды, в ходе нейтрализации вообще не образуется. Как же так? В самом простом изложении суть работы ионообменника такова. Предположим, например, в глаз попала щелочь. Это раствор, в котором есть катионы щелочного металла (обычно натрия или калия) и гидроксил-ионы, те самые, что отвечают за щелочную реакцию среды. В этом случае нужна смола, которая «заберет» их себе, поменяв на другие катионы – ионы водорода. Они мгновенно соединяются с гидроксил-ионами, и получится вода. А если «поменять» гидроксил на хлорид-ион (тоже анион), то получится раствор поваренной соли, которой полно и в крови, и в глазу. При этом действие ионообменника не заканчивается до тех пор, пока все «лишние» ионы, не только в омывающей глаз жидкости, но и в его ткани не «уйдут» в частицы ионообменника.

Вообще говоря, разрабатывать ионообменные средства для лечения химических ожогов глаз ученые начали уже давно. ГЛИВы для нейтрализации кислот и щелочей были не только придуманы, запатентованы и сделаны, но и тщательно изучены в условиях клиники – в Кемеровской областной клинической офтальмологической больнице. На очереди средства для лечения химических ожогов другими жгучими соединениями, например – лактиматорами. Больше того, авторы выяснили, что ГЛИВы - это отличное средство для лечения вирусных поражений роговицы и конъюнктивы, а также при лечении термических ожогов и гнойных осложнений.

Между прочим, и высказываение о спасении глаз космонавтов – это вовсе не словесные фиоритуры. Ведь в условиях невесомости промыть глаз струей воды или вообще любого раствора практически невозможно – капли-то плавают. А положить кусочек пленки под нижнее веко можно в любых условиях, хоть вися вниз головой, и вода вовсе не понадобится. Жаль только, что ни космонавтам, ни простым смертным пока замечательные ГЛИВы взять неоткуда. «К сожалению, в настоящее время лаборатория, выпускавшая ГЛИВы, закрыта, а производство ГЛИВов прекращено», - говорит один из авторов разработки доктор медицинских наук профессор Юрий Хатминский. «Хотелось бы надеяться, что лаборатория будет восстановлена и выпуск ГЛИВов возобновится. Потому что по большому счету это средство должно быть в любой поликлинике и травмопункте, да и в домашней аптечке, не говоря уж о лабораториях и прозводствах, где химические ожоги глаз в принципе возможны и, к несчастью, регулярно случаются». Будем надеяться вместе.

 

Пленка для защиты имплантатов

Российские ученые при участии американских коллег разработали многофункциональную пленку для защиты имплантатов, испытывающих постоянную механическую нагрузку. Их исследования поддержали CRDF, МНТЦ и федеральное агентство по науке и инновациям.

Имплантаты, заменяющие кости и суставы, испытывают большую нагрузку и быстро изнашиваются. Защитить их можно, покрыв специальной пленкой. Новые биоактивные керамические пленки, содержащие тантал, разрабатывают специалисты Государственного технологического университета «Московский институт стали и сплавов», ГУ РОНЦ им. Н.Н.Блохина РАМН и Горной академии Колорадо (США).

Первые пленки, разработанные исследователями, были изготовлены на основе карбонитрида титана. Пленки следующего поколения содержат тантал. Этот металл широко используют в реконструктивной хирургии, главным образом благодаря его высокой прочности и твердости, которые сочетаются с отличными пластическими характеристиками, высокой химической стойкостью и биологической совместимостью. По устойчивости к коррозии и износу, карбиды и нитриды тантала устойчивее, чем аналогичные соединения других переходных металлов.

Многокомпонентные пленки получали, распыляя карбиды титана и тантала с оксидами или фосфатами кальция в атмосфере аргона или в газовой смеси аргона с азотом. В качестве подложек для напыления использовали титан марки ВТ1-0, монокристаллический кремний, нержавеющую сталь и покровные стекла.

Организм человека – довольно агрессивная среда. Пленкам предстоит испытать большие механические нагрузки, в том числе трение, воздействие электролитов, взаимодействие с клетками. Первые лабораторные испытания показали, что скорость износа пленок трении на воздухе и в физиологическом растворе оказалась на два порядка ниже, чем у титана. Новый материал меньше подвержен коррозии, чем пленки без тантала.

Пленки, содержащие тантал, успешно прошли первые тесты на биосовместимость. Подложки, покрытые пленками, поместили в питательную среду и заселили клетками эпителиоцитов и остеобластов – клетками, образующими костные ткани. Клетки прекрасно себя чувствовали и размножались на поверхности защитных пленок, содержащих тантал, гораздо активнее, чем на стекле, которое использовали в качестве контроля. Исследователи убедились, что костная ткань сможет образовываться на поверхности защитных пленок. По мнению ученых, многофункциональные танталсодержащие наноструктурные пленки представляют перспективный материал для создания работающих под нагрузкой имплантатов.

 

О систематической боли и лабораторных исследованиях

Принято считать, что введение физиологического раствора не влияет на состояние экспериментальных животных, поэтому многие исследователи сравнивают действие новых препаратов только с действием физиологического раствора. Как они неправы!

В любых экспериментах необходим контроль. Когда ученые испытывают на животных новые лекарства, они используют в качестве контроля группу животных, которым вводят физиологический раствор. Но специалисты НИИ морфологии человека РАМН и кафедры высшей нервной деятельности биологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова пришли к выводу, что регулярные болезненные инъекции физиологического раствора не безразличны крысам. В поведении животных появляются признаки стресса, и они не могут служить адекватным контролем.

Сам по себе физиологический раствор безвреден, но есть основания считать, что животные страдают от боли, которую вызывает давление большой капли соленой воды под кожей. В экспериментах московских ученых крысам производили курс из пяти внутримышечных инъекций физиологического раствора – по 0,3 мл раз в сутки. На шестые сутки их помещали в лабиринт с кормушками. Крысы сами, без дополнительных сигналов, должны были научиться отыскивать кормушки с семенами подсолнуха. Это сложная интеллектуальная задача, и только 40% крыс могут ее освоить. Остальные 60% мало двигаются и занимают в основном пассивно-оборонительную позицию, поэтому они не способны понять условия задачи. Однако, отыскать хотя бы одну кормушку в лабиринтной среде после двух недель занятий способна почти каждая здоровая крыса. Но после серии уколов от «обучения» отказались 90% животных, причем за 20 дней они даже не научились заходить в лабиринт. В основном крысы сидели, забившись в уголок, и поскуливали.

Ученые проверили, как изменяется болевая чувствительность крыс. Для этого на хвост животных направляют луч света, создающий высокую температуру, и когда становится очень горячо, крысы хвост отдергивают. Двух уколов физиологического раствора оказалось достаточно, чтобы перед очередной инъекцией у крыс повышалась болевая чувствительность, а после укола она еще усиливалась. Иными словами, крысы уже заранее ждали очередного болевого воздействия, связанного с инъекцией. Эти изменения чувствительности сохранялись в течение 5 суток после отмены уколов.

Судя по повышению уровня кортикостерона, через 24 часа после курсового введения физиологического раствора у крыс развиваются признаки стресса. Инъекции вызывают морфофункциональные изменения в селезенке и тимусе и ухудшение некоторых показателей крови. Иными словами, курсовое введение физиологического раствора затрагивает процессы, связанные с интеллектуальной деятельностью, периферической чувствительностью и с морфофункциональной активностью органов иммунной системы, то есть вызывает системные изменения.

Основная задача фармакологии - воздействовать на больной организм таким образом, чтобы перевести его в наиболее благоприятное при данных условиях состояние. Поэтому результаты испытания лекарств надо сравнивать с нормальным состоянием организма. Но у крыс, получивших курс инъекций физиологического раствора, оно заведомо плохое, поэтому такие животные не могут служить единственной группой сравнения. Физиологический раствор крысам вводят, чтобы отличить действие лекарства от действия растворителя, и такой контроль необходим. Но кроме этого необходимо сопоставлять полученные результаты и с другим контролем – крысами, которых ничем не кололи. К сожалению, исследователи делают это далеко не всегда.

 

Иридодиагностика куриной жизнеспособности

Гадалка читает судьбу человека по руке. Куровод смотрит в глаза разводимому объекту. Иногда этот взгляд полезнее для селекционера, чем изучение родословных.

Жизнеспособность цыплят и их будущего потомства можно предсказать по типу радужной оболочки глаза. По мнению специалистов Московской государственной академии ветеринарной медицины и биотехнологии им. К.И.Скрябина, которые провели иридодиагностику кур мясных пород, учет особенностей радужной оболочки позволит увеличить прибыль птицеводческих ферм.

Все птицеводы желают получать многочисленный и жизнеспособный куриный молодняк. К сожалению, далеко не все снесенные яйца оказываются живыми, не из всех живых появляются цыплята, не все цыплята доживают даже до пятинедельного возраста. Повышение цыплячьей жизнеспособности даже на 0,5-1% приносит ощутимую прибыль, но, к сожалению, проводить селекцию кур по этому признаку бессмысленно. Жизнеспособность лишь на 5% зависит от влияния генотипа, а 95% приходятся на внешние обстоятельства. Но российские ученые нашли возможность определять, какой цыпленок превратится во взрослую птицу и даст крепкое потомство. Они активно разрабатывают параметры прогнозирования жизнеспособности кур на основе цвета, рельефа и типа радужной оболочки глаз.

Исследователи выявили три типа радужной оболочки: радиальный, радиально-гомогенный и радиально-лакунарный и оценили глазки 18-недельных цыплят мясных пород «Корниш» и «Белый плимутрок». Нескольким тысячам цыплят заглядывали в глаза через лупу с подсветкой. В курином стаде положено иметь одного петуха на десять курочек. Ученые сформировали три стада. В одну опытную группу отобрали сто кур с радиально-лакунарным типом радужной оболочки, а в другую – с радиальным. Петухи в обеих группах имели радиально-лакунарную радужку. Третью группу составили из птиц, не отсортированных по типу радужной оболочки.

В возрасте восемнадцати недель петухи и куры с разными типами радужки встречаются примерно с одинаковой частотой. Особи с радиальным типом более спокойные, а радиально-лакунарные – довольно агрессивны. Оказалось, что в первых двух группах отходы инкубации (неоплодотворенные яйца, замершие эмбрионы и другие дефекты яиц) на 2-4% меньше, чем в контроле, а из здоровых яиц вылупляется в среднем на 3% больше цыплят. И до пятинедельного возраста доживает больше всего цыплят, полученных от петухов и кур первой группы с радиально-лакунарным типом радужки. Разница с контролем составляет больше двух процентов.

За взрослыми курами исследователи тоже наблюдали до 60-недельного возраста. За этот срок потери в первом стаде были на 1,6% меньше, чем в контрольном, и на 0,9% меньше, чем во втором. Куры погибали в основном не от инфекции, а от удушья, перегрева и желточного перитонита.

Специалисты ветеринарной академии полагают, что петухов на племя лучше отбирать с радиально-лакунарным типом радужной оболочки глаз, а кур – с радиальным и радиально-лакунарными типами. Правда, других вариантов в этом опыте ученые и не пробовали.

 

Токсикомания влияет на мозговое кровообращение

От употребления летучих растворителей подростки заболевают быстрее и тяжелее взрослых.

У подростков, которые нюхают летучие вещества, нарушено мозговое кровообращение. Сотрудники кафедры возрастной физиологии и валеологии Поморского государственного университета им. М.В.Ломоносова, проводившие это исследование, отмечают, что глубина изменений зависит от стажа юного токсикомана.

Проблема подростковой наркомании и токсикомании чрезвычайно актуальна. Точных данных о размерах бедствия нет ни в одной стране, но все специалисты, связанные с проблемами молодежи и подростков, отмечают рост употребления наркотиков и психоактивных веществ в этой возрастной группе. Между тем защитные системы подросткового организма еще не вполне сформировались и не способны полноценно обезвредить и вывести токсичные вещества.

Архангельские исследователи изучали влияние летучих растворителей на мозговое кровообращение. Они обследовали 300 школьников от 11 до 16 лет. Сто тринадцать детей были практически здоровы и не нюхали психоактивные вещества. Остальные 188 человек, употреблявшие летучие растворители, красители и краску, клей, бензин и лак, состояли на учете в архангельском психоневрологическом диспансере с диагнозом «психические и поведенческие расстройства в результате употребления летучих растворителей, без синдрома зависимости». Для изучения мозгового кровообращения ученые использовали метод реоэнцефалографии.

Уже через год употребления летучих растворителей мозговое кровообращение подростков заметно меняется. Ученые установили пониженное наполнение кровью артериальных сосудов как крупных, так и мелких. Особенно заметны нарушения в бассейнах правой внутренней сонной и левой позвоночной артерий. Приток крови к этим областям недостаточный, а отток затруднен. К тому же кровеносные сосуды токсикоманов оказались менее эластичными и податливыми.

Через три года изменения мозгового кровообращения еще более усугубляются, причем тонус, то есть напряжение стенок мелких кровеносных сосудов возросло, а эластичность уменьшилась. Сосуды становятся более жесткими и хрупкими и не могут снабжать в достаточном количестве кровью мозг, которому в эти годы надлежит не только обеспечивать нормальный рост и развитие юного организма, но также учиться, учиться и учиться.

 

Арктический климат – портрет по описанию

Климат в Арктике меняется совершенно не так, как предсказывает теория. Значит, нужна новая климатическая модель.

Сотрудники лаборатории глобальных проблем энергетики МЭИ совместно с учеными Семинара по восточноевропейской истории Рейнского университета (Бонн, Германия) реконструировали климат Арктики за последние шесть столетий. Это первая климатическая реконструкция для данного региона, выполненная на основе документальных свидетельств.

Ученые собрали около 3000 документов – малоизвестных, не публиковавшихся ранее на русском языке или вовсе неопубликованных свидетельств европейских и отечественных мореплавателей, путешественников и исследователей, посещавших бассейн Баренцева и Карского морей с 1499 по 1911 гг. Однако собранной информации не хватило для корректной палеоклиматической реконструкции. Исследователям пришлось воспользоваться моделью, позволяющей рассчитывать вариации среднегодовых и среднесезонных температур в зависимости от изменений основных климатических факторов, таких как концентрация парниковых газов, вулканическая активность, скорость вращения Земли и зимний индекс Североатлантического колебания (это разность давлений на уровне моря по данным станций Лиссабон и Стиккисхольмур). Ученые выполнили расчеты для региона Баренцева и Карского морей, заключенного в границах 50-80 градусов восточной долготы и 65-80 градусов северной широты.

Реконструкция показала, что климат этого сектора Арктики в последние шесть столетий испытывал значительные колебания, которые по своим масштабам и скорости подчас не уступали нынешним. В частности, значительное и широко известное потепление Арктики, имевшее место в 20-40-х годах ХХ века, по-видимому, не уникально. Сходные по масштабу потепления случались и в XIX в., и в конце XVIII в., а чуть более слабые – в начале XVIII и XVII вв., а также в первой половине XVI столетия. Самые сильные похолодания пришлись на середину XV, конец XVI, вторую половину XVII, начало и конец XIX веков. Все эти выдающиеся климатические события находят документальное подтверждение.

Так, во время короткого сильного потепления на рубеже XV-XVI вв. русские основали на берегу Ледовитого океана Пустозерский острог (1499 г). Вероятно, в то же время безвестные русские мореходы открыли Новую Землю. Свидетельства в пользу другого значительного потепления, пришедшегося на первую половину XVII века, представлены в короткой истории оживленного торгового города Мангазея, расположенного в 180 км от устья р. Таз. В первые годы XVII столетия в Мангазей, ежегодно приходило не менее 16-17 судов с мехами и моржовой костью – по меркам следующего века каждое такое плавание считалось бы выдающимся подвигом. В те же годы и не позднее 1618 г. неизвестные русские мореходы обогнули крайнюю северную точку Евразии – мыс Челюскина и таким образом преодолели самый трудный участок Северного морского пути. А архивы Великой Северной экспедиции (1733-1743 гг.) повествуют уже о чрезвычайно тяжелой ледовой обстановке в арктических морях – на то, чтобы пройти давно известным путем из Архангельска в Обскую губу, мореплавателям потребовалось 4 года.

Выполненная учеными реконструкция климата прекрасно совпадает с результатами дендрохронологических исследований, которые охватывают все пространство Северной Евразии. Согласно этим данным, все описанные потепления происходили почти синхронно во всех исследованных районах и имели сходный масштаб. Удивительная синхронность климатических колебаний на такой огромной территории указывает на существование единого механизма, управляющего этими процессами. Естественные факторы: скорость вращения Земли, характер атмосферной циркуляции и вулканическая активность – играли в регуляции арктического климата ведущую роль вплоть до середины прошлого века.

Поскольку сделанный учеными анализ климатических изменений прошлого хорошо совпал с документальными свидетельствами и дендрохронологическими данными, можно надеяться, что и прогноз изменений климата в европейском секторе российской Арктики окажется надежным. Согласно этому прогнозу, в первой половине XXI века температура в этом регионе не превысит максимальных значений, зафиксированных в 1930-1950 гг. Лишь после 2050 года в российскую Арктику придет продолжительное потепление, самое значительное за несколько последних тысячелетий. И в отличие от всех предыдущих это потепление будет вызвано в основном антропогенными факторами, а именно: продолжающимся накоплением парниковых газов в атмосфере и постепенным освобождением ее от тропосферного сульфатного аэрозоля.

 

Как полетели птицы

Отпечаток археоптерикса, распластанного, как поверженный Икар, знаком каждому школьнику. Но археоптерикс не был предком птиц. Ученые исследуют становление птичьего полета при поддержке РФФИ, Программы поддержки ведущих научных школ и Программы Президиума РАН «Происхождение и эволюция биосферы».

Все мы знаем, что птицы летают, а о том, как это случилось, ученые спорят уже много лет. Свое объяснение происхождения птичьего полета предложили сотрудник Палеонтологического института РАН, д.б.н. Евгений Николаевич Курочкин и к.б.н. Игорь Александрович Богданович из Института зоологии НАН Украины. Их гипотеза основана на результатах исследований скелетно-мышечной системы двигательного аппарата многих видов птиц и на анализе обширного палеонтологического материала.

По мнению ученых, предки птиц претерпели целый комплекс изменений. Прежде всего, они встали на задние лапы, освободив тем самым передние. С их помощью можно было лазить по деревьям, но из конечностей, которые цепляются за ствол, крылья не получатся. Скорее всего, предки птиц использовали свои передние лапки для поддержания равновесия, балансируя ими при прыжках и на бегу. Кроме того, у них несколько изменилось строение плечевого пояса, благодаря чему они смогли выносить плечо выше спины – без этого невозможен машущий полет.

Предкам птиц поначалу было не очень удобно на двух конечностях, и они поддерживали равновесие с помощью толстого длинного хвоста – балансировали им на бегу и использовали как опору, когда стояли. Но затем их стопа изменила строение: три ее пальца смотрели вперед, а один назад. Такая конструкция стопы оказалась на редкость удачной. Она позволяла стоять, не опираясь на хвост, уверенно перемещаться по земле и сидеть на ветках, прочно обхватывая их пальцами. Тяжелый и длинный хвост со множеством позвонков был гипотетическими «предптицами» за ненадобностью утрачен. Его остаток послужил замечательным основанием для "веера" из хвостовых перьев, который прекрасно подходил для машущего полета.

Итак, предки птиц уверенно прыгали с ветки на ветку на задних лапах, балансируя передними. А как они попадали на деревья и зачем? Очевидно, на ветвях предптицы прятались от хищников, отдыхали и вили гнезда. Кормиться на деревьях они начали позже, когда освоили полет. Предки птиц легко могли вспрыгнуть на нижние ветви, как это и сейчас делают многие представители семейства курообразных. Самый примитивный представитель этого семейства, кракс, не взлетая, запрыгивает на высоту до полутора метров. В триасовом и юрском периодах, когда происходило становление птиц, господствовали голосеменные растения: хвойные, саговниковые и другие, многие из которых имеют очень густые ветви, порой растущие от самой земли. На такие деревья очень трудно залезть по стволу и гораздо легче, запрыгивая на нижние ветки. Но спускаться вниз таким же образом нерационально, а спланировать невозможно, если крыльев еще нет, а деревья растут густо. Предкам птиц оставалось только прыгать, отчаянно, но синхронно трепеща передними конечностями, чтобы замедлить падение. При этом зачатки крыльев должны были активно двигаться вверх и назад. Становлению машущего полета способствовало то обстоятельство, что будущие крылья уже были снабжены перьями, которые, возможно, возникли как атрибут демонстрационного брачного поведения, но пригодились и для балансирования во время прыжков с ветки на ветку. Так птицы овладели машущим полетом, минуя стадию планирования.

Динозавры не были предками птиц. У некоторых хищных динозавров передние конечности тоже превратились в крылья,, но они так и не смогли должным образом реконструировать стопу по типу «три пальца вперед – один назад». Подобная лапа не обеспечивала надежной опоры ни на ветвях, ни при приземлении, поэтому им не удалось избавиться от длинного хвоста и перейти к настоящему полету. Только некоторые, например, археоптерикс, стали хорошими планерами. Общая площадь их несущей планирующей поверхности увеличилась за счет плоскостей из перьев на задних конечностях и на удлиненном хвосте, однако этот хвост так и не стал птичьим. Приятно думать, что воробей, прыгающий за окном – потомок динозавров, но увы.

 

Пресс-релиз

Сегодня WWF начинает операцию «Берлога»

«Медвежьи патрули» Всемирного фонда дикой природы (WWF) проводят работу по учету и охране родовых берлог белого медведя на Арктическом побережье России.

Конец марта – начало апреля - «горячая пора» для белых медведей. Медвежата вместе с медведицами покидают берлоги и делают первые шаги перед дальним арктическим путешествием.

В это время на дежурство выходят 4 медвежьих патруля WWF – на участке протяженностью более 1000 км от Медвежьих островов в Восточно-Сибирском море до острова Колючин в Чукотском море будут проводиться антибраконьерские рейды и учеты родовых берлог белого медведя. Операция «Берлога» начнется 25 марта и будет продолжаться до того периода, когда медведицы с медвежатами покинут свои родильные дома и уйдут по полярным льдам далеко на Север. Эта работа особенно важна сейчас, когда изменения климата и ледовых условий в арктических морях приводят к изменению распределения не только самих медведей, но и мест устройства ими «родильных» берлог.

«Медвежата рождаются в берлогах в середине зимы, – рассказывает Андрей Болтунов, научный руководитель проекта «Медвежий патруль». – Обычно у медведицы два, реже три медвежонка. Новорожденные медвежата совсем маленькие и весят 0,5 кг, что в 400-1400 раз меньше веса взрослых медведей. Для сравнения, новорожденный человек весит меньше взрослого «всего» в 20-30 раз. К моменту выхода из берлоги медвежата заметно подрастают (около 10 кг), подвижны, активны и очень любознательны. Семья не покидает берлогу сразу: несколько дней медведица делает вылазки по близлежащим окрестностям и учит малышей правилам выживания в суровых арктических условиях».

 

ЕЩЕ ОДИН ШАГ НА ПУТИ К МОЛЕКУЛЯРНОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ

Монослой крупных органических молекул может быть функционально соединен с микросхемой, показали американские ученые.

Исследователи из Национального института стандартов и технологий США создали своего рода переходное звено между современной микроэлектроникой на основе полупроводников и электроникой будущего, которая, считают эксперты, будет строиться на основе крупных органических молекул.

Возможность использовать кремниевые кристаллы, совместимые с современными микросхемами, позволит создать гибридные устройства, которые будут неким промежуточным этапом между двумя типами электроники, предваряя принципиально новые технологии молекулярной электроники. Исследователи уже разобрались со структурой кристалла кремния (основой современных микросхем) и поняли, под каким ракурсом он должен быть расположен к органической молекуле (предполагаемая основа молекулярной электроники будущего), однако совместить их пока не удавалось.

Сотрудники института впервые продемонстрировали, что монослой крупных органических молекул может быть уложен на кремниевой подложке. Схожесть с процессами, происходящими в нынешней микроэлектронике, подтвердил спектроскопический анализ.

Затем на основе «смешанной техники» был создан резистор. Слой из цепочек атомов углерода, связанных на концах с атомами серы, нанесли на крошечную 100-нанометровую лунку в кремнии и покрыли тонким слоем серебра для формирования контакта. Ранее это пытались делать с помощью золота или алюминия, но оказалось, что этот металл подходит лучше всего.

Авторы использовали углеродные цепочки разной длины. Оба выполненных ими устройства работали как резисторы, их собрат без монослоя подобными свойствами не обладал.

Следующий шаг - создание замкнутой электрической цепи, сконструированной на тех же принципах.

 

Дешево и эффективно: тепло в электричество и наоборот

Превращать электричество в тепло и наоборот? Легко, главное уменьшить теплоотвод материала. Именно это удалось сделать ученым из США, которые усовершенствовали сплав из висмута, сурьмы и теллура, используя модные нанотехнологии.

Исследователи из Массачусетского Технологического Института и Бостонского колледжа разработали недорогой и простой метод увеличения эффективности обычных термоэлектрических материалов на сорок процентов. Что это за материалы? Они умеют превращать тепло в электричество и наоборот. При нагревании электроны в материале начинают двигаться в сторону с пониженной температурой или, наоборот, электрический ток в них переносит тепло. Однако все разработанные материалы оказывались недостаточно эффективными, чтобы найти широкое применение, так как в них происходило быстрое выравнивание температуры. А, между тем, использовать материалы с такими свойствами можно и в качестве панелей, переводящих солнечный свет в электричество, и даже в качестве источников питания для радио и кондиционеров воздуха в автомобилях, улавливающих тепло выхлопных труб.

Профессор Ганг Чен (Gang Chen) из MIT вместе с коллегами занялся усовершенствованием сплава из висмута, сурьмы и теллура, удивительные свойства которого были открыты более полувека назад. Сегодня из него изготавливают термоэлектрический материал, используемый в качестве охлаждения сидений в машине и продуктов, например, для пикника. Ученым удалось значительно повысить его термоэлектрические свойства, используя нанотехнологии. Они размельчили состав в порошок с зернышками размером в среднем около 20 нанометров, затем спрессовали его диски и брусочки при высокой температуре. В результате получили материал с намного более мелкой кристаллической решеткой, чем у исходного вещества с гранулами миллиметрового размера. По словам Чена, полученный нанокомпозит оказался при температуре в сто градусов Цельсия на сорок процентов эффективнее, чем обычный состав. При этом его свойства сохраняются в интервале температур от комнатной до 250°C. Термоэолектрическая эффективность в новом материале, объясняют ученые, повышается, так как нанозернышки в нем уменьшают скорость выравнивания температуры.

Чен уверен, что новинку можно за несколько месяцев внедрить в производство, так как сплав из висмута, сурьмы и теллура используется давно. При этом нанокомпозитный материал достаточно дешевый, поэтому речь идет о производстве не граммов, а тонн вещества.

 

БАТАРЕЯ ИЗ КРАСКИ И СТАЛИ

Ученые из Уэльса придумали, как превратить крашенные металлоконструкции в электростанции.

«Много лет мы занимались защитой стали от коррозии, однако и подумать не могли, что создаваемые нами покрытия могут служить для чего-то другого», - рассказывает доктор Дейв Уорсли из университета Сванси (Великобритания). «Один из наших студентов решил повнимательнее посмотреть, как происходит разрушение краски на стали под влиянием солнечного света, и это исследование в конце концов привело нас к идее создания солнечной батареи из защитного покрытия».

Вообще-то ничего удивительного в этом решении нет, поскольку коррозия металлов - электрохимический процесс и ответственную за него электродвижущую силу вполне можно употребить не на разрушение материала, а на совершение полезной работы.

После того как британский Исследовательский совет по инженерным и физическим наукам выделил ученым грант на 1,5 млн. фунтов стерлингов, они за три года сумели воплотить свою идею в новый материал для полимерных солнечных батарей. Эффективность преобразования солнечной энергии в электричество у него не очень велика, всего 5%, но за год только одна из уэльских компаний, «Корус колор», изготавливает 100 млн. м2 крашенного проката. Если бы всю падающую на эти квадратные километры солнечную энергию превратить в электричество, то получилось бы 4,5 ТВт электроэнергии в год, что соответствует производительности полусотни ветряных электростанций.

 

Металлический водород в фуллеренах

Крошечные углеродные капсулы или фуллерены могут накапливать такое количество водорода, что его плотность становится как у металла. Точные вычисления американских ученых, которые приведены в мартовском выпуске журнала «Nano Letters», помогут разработать емкости для хранения альтернативного вида топлива в автомобилях – водородного.

Водород – легчайший элемент во Вселенной - может быть одним из самых мощных источников энергии, но его непросто получать, сложно хранить и транспортировать. В новом исследовании наш соотечественник Борис Якобсон, работающий в университете Райс в Хьюстоне (США), с помощью компьютерных вычислений посчитал, какое количество водорода способны вместить углеродные сферы – фуллерены (или бакиболлы – buckyballs). «На основании наших вычислений получается, что некоторые бакиболлы способны накапливать такое количество водорода, что его плотность становится почти такой же, как у металла. При комнатной температуре они могут вмещать около восьми процентов своего веса в виде водорода», - объясняет профессор Якобсон.

Министерство Энергетики США выделило более миллиарда долларов на развитие автомобилей на водородном топливе, в том числе на развитие технологий, связанных с хранением водорода, используемого в автомобилях.

По современным оценкам, плотность водорода в системах хранения такого автомобиля должна превышать плотностью чистого жидкого водорода. Ученые давно спорят, подойдут ли для этих целей крошечные молекулярные контейнеры, например, бакиболлы, ведь эксперименты показали, что небольшое количество водорода помещается в такие фуллерены. В новом исследовании Якобсон, Ольга Пупышева и Амир Фарадзян (Amir Farajian) впервые предлагают точный метод для подсчета количества водорода, которое может выдержать бакиболл.

«Связи между атомами углерода одни из самых сильных в природе. Благодаря ним алмаз отличается особенной твердостью. И наше исследование показывает, что требуется огромное внутренне давление, чтобы деформировать и разрушить углерод-углеродные связи в фуллерене», - рассказывает Якобсон.

С помощью компьютерной модели группа ученых изучила силу атомных связей в бакиболле и исследовала, что с ними происходит при добавлении большого количества водорода. Модель позволяет точно посчитать количество водорода, которое может вместить бакиболл любого размера, а также показывает, как бакиболл раскрывается, выпуская содержимое. Когда будет разработан эффективный способ получения бакиболлов с водородом, его можно будет хранить в виде порошка, уверен ученый.

Бакиболлы были открыты в Райсе более двадцати лет назад, они принадлежат к семейству углеродных молекул под названием фуллерены. В это же семейство входят углеродные нанотрубки, обычные 60-атомные бакиболлы и более крупные экземпляры, состоящие из двух тысяч или более атомов.

 

КРОВЬ СТЫНЕТ В ЖИЛАХ

Немецкие ученые установили, что выражение «кровь застыла в жилах от страха», столь любимое писателями, очень близко к тому, что происходит в действительности.

Упоминаемый в литературе факт – он так испугался, что у него разорвалось сердце, увы, вполне соответствует медицинской статистике: среди пациентов, которые обладают повышенной тревожностью риск умереть от сердечного приступа в четыре раза больше, чем для спокойных людей. Как было установлено на основании опросов, это связано с тем, что стресс или повышенное беспокойство может приводить к образованию тромбов. А доктор Франциска Гейзер из Боннского университета вместе со своей коллегой Урсулой Харбрехт впервые сумели доказать этот факт экспериментально.

Есть довольно много людей, которые подвержены тому или иному паническому синдрому. Это может быть агорафобия – боязнь толпы, может быть боязнь высоты, боязнь оказаться в центре внимания. Порой эта боязнь сопровождается вполне заметными проявлениями: резкое покраснение лица, образование пота, дрожь во всем теле и другие. Именно такие пациенты и принимали участие в экспериментах боннских ученых. Всего же число участников составило 31 человек. Для контроля каждому участнику, страдающему от страха, подобрали человека того же пола и возраста, который не был подвержен паническим страхам. Перед экспериментом у всех участников взяли анализ крови и попросили проделать серию тестов на компьютере, после чего взяли повторный анализ. Результат показал: кровь тех, кто подвержен паническому страху, действительно содержала гораздо больше различных факторов, которые способствуют свертыванию крови.

Обычно при ранении эти факторы приводят к двум разным результатам. Во-первых, кровь густеет, а во-вторых, запускается процесс образования тромба, чтобы закрыть рану. При паническом страхе, к счастью, идет лишь первый процесс. Однако излишне загустевшая кровь вполне способна привести к нарушению кровообращения и летальному исходу. «Это не значит, что таким людям надо теперь еще и волноваться о возможном сердечном приступе», - говорит доктор Гейзер. «Загустение крови не выходит за пределы физиологической нормы. Однако если положение осложнено другими факторами, например, излишним весом, опасность увеличивается. Мы же разработали методику психотерапии, которая позволит справиться с этой опасностью. Именно поэтому надо как можно раньше выявить склонность человека к паническому страху и начать го лечение».

 

РОЛЬ МОЛОКА В ЭВОЛЮЦИИ МЛЕКОПИТАЮЩИХ

Молоко сыграло решающую роль в переходе млекопитающих от откладывания яиц к деторождению, считают швейцарские ученые.

Млекопитающие появились на нашей планете около 200 миллионов лет назад. В ходе эволюции они «отказались» от высиживания яиц в пользу вынашивания и выкармливания детенышей, стали кормить потомство молоком. Впрочем, среди современных млекопитающих до сих пор есть небольшая группа яйцекладущих - так называемые однопроходные. К ним относится живущий в Австралии утконос.

Хенрик Кессманн, генетик-эволюционист из Университета Лозанны, Швейцария, решил выяснить, какие генетические изменения привели к такому повороту. Вместе с коллегами он проанализировал эволюционные «поправки» в трех основных генах, ответственных за синтез белков, необходимых для формирования яиц. Оценил нуклеотидную последовательность в этих генах в геномах человека, собаки, опоссума и утконоса.

Выяснилось, что у человека, собаки и опоссума эти гены есть, но перестали функционировать 70-30 миллионов лет назад. У утконоса один из них все еще действует – животное откладывает яйца, в которых много желтка.

Затем авторы изучили эволюцию генов, необходимых для выработки молока. У утконоса они ничем не отличаются от других млекопитающих. Поскольку однопроходные выделились в отдельную группу 180 миллионов лет назад, следовательно, кормление молоком появилось у млекопитающих 310-200 миллионов лет, до того, как они перешли к вынашиванию и деторождению и утратили гены, отвечающие за формирование яиц.

Полученные результаты служат подтверждением гипотезы, что переход к кормлению молоком был стимулом к деторождению у млекопитающих, поскольку они больше не зависели от запасов желтка в яйце для питания зародыша, считает Дженни Грейвс из Австралийского национального университета в Канберре. Кормление молоком, полагает Петер Фогель из Университета Лозанны, дает определенные преимущества, в частности, родители не должны каждый раз приносить пищу детенышам и имеют больше времени для их обучения.

©РАН 2020