В мире биологии и физики, где каждое открытие может стать началом настоящей революции, новое исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, раскрывает удивительную взаимосвязь между поведением протонов и электронами в живых системах. Это исследование не только бросает свет на тонкости биоэнергетики, но и показывает, как квантовая физика переплетается с биохимией.

Протоны, будучи основой биоэнергетики, играют ключевую роль в жизненных процессах, таких как клеточное дыхание и синтез АТФ. Ранее считалось, что их движение зависит исключительно от химических реакций, например, «прыжков» между молекулами воды и аминокислотами. Но новое исследование доказывает: всё сложнее! Ученые, возглавляемые командой из Еврейского университета в Иерусалиме, обнаружили, что движение этих наименьших частиц связано с квантовым свойством — спином электронов.

Спин, по сути, можно представить как своеобразный магнитный момент электрона, который влияет на его взаимодействие с окружающей средой. Исследователи использовали кристаллы лизоцима (фермента, широко встречающегося в природе) для проверки своих гипотез. И вот что они нашли!

Хиральные фононы и протоно-электронные связи.

Команда ученых, в том числе профессоры Рон Нааман и Нурит Ашкенази, проводила эксперименты, в ходе которых в кристаллы вводились электроны с разными спинами. Результаты оказались поразительными: протоны перемещались гораздо легче, когда электроны имели определенный спин — и наоборот! Когда в систему вводились электроны с противоположным спином, движение протонов значительно замедлялось.

Это взаимодействие связано с эффектом хиральной индуцированной селективности спина (CISS), который описывает, как молекулы с определенной закруткой (хиральные молекулы) по-разному влияют на спины электронов. Таким образом, переворот в понимании того, как мы воспринимаем передвижение протонов в клетках, стал ключевым моментом в этом исследовании.

Потенциал для новых технологий!

Как эти открытия могут повлиять на науку и технологию? Прежде всего, они открывают совершенно новые горизонты для понимания биологических процессов на квантовом уровне. «Наши результаты показывают, что движение протонов в биологических системах не ограничивается лишь химией — это также вопрос квантовой физики», — отметил исследователь Наама Горен. Это знание может привести к разработке новых технологий, способных имитировать биологические процессы и, возможно, даже контролировать передачу информации внутри клеток.

Профессор Йосси Пальтиэль добавил, что связь между спином и движением протонов может быть использована для создания инновационных методов в медицине, энергогенерации и нанотехнологиях.

Это исследование не просто расширяет границы нашего понимания жизни, но и соединяет миры квантовой физики и биохимии. Мы наконец начинаем видеть, как мелкие частицы взаимодействуют друг с другом, создавая сложности и изящество живых систем. Эти открытия не только подчеркивают важность квантовых процессов в биологии, но и открывают двери для множества новых исследовательских направлений, которые могут революционизировать науки о жизни. Впереди много интересного!

Огонь, безусловно, является одним из величайших открытий человечества. Он сыграл ключевую роль в развитии общества, став основой для многих из самых трансформирующих изобретений — от приготовления пищи и ковки оружия до генерации энергии и работы автомобильных двигателей внутреннего сгорания.

Сегодня огонь продолжает открывать двери к самым передовым нанотехнологиям, которые разрабатываются для лечения рака и создания дыхательных сенсоров для раннего выявления диабета и других метаболических заболеваний.

Нанотехнологии проникают практически во все аспекты нашей повседневной жизни. Например, я ранее писал о нанотехнологиях, использованных в мРНК-вакцинах, которые помогли нам преодолеть пандемию, и участвовал в обсуждениях о том, как нанотехнологии влияют на наше вино, здоровье кишечника и климат.

К примеру, газовые датчики, содержащие наночастицы, созданные с помощью огня, могут использоваться для проверки отсутствия метанола в алкогольных напитках. Метанол — это крайне токсичный спирт, который стал причиной многочисленных отравлений по всему миру.

Огонь — это способ, с помощью которого производятся наиболее широко используемые наночастицы и, следовательно, нанотехнологии. Например, треть веса автомобильной шины составляет углеродные наночастицы, которые создаются с использованием огня. Эти наночастицы помогают укрепить шину. Белая краска, которую мы используем для стен, и покрытия на некоторых таблетках содержат наночастицы титана, полученные в результате горения. Аналогично, фумигированный кремний — необходимый для оптоволоконных систем связи и интернета — также создается в огне.

Как производятся нанотехнологии?
Но как же образуются наночастицы, которые в 80-100 тысяч раз меньше толщины человеческого волоса, внутри пламени?

Я специализируюсь на производстве наночастиц в огне, используя технологию под названием пиролиз с распылением в пламени.

В ходе моих исследований я сжигаю горючие химические вещества, содержащие целевые металлические элементы, чтобы сформировать свои наночастицы. Во время сгорания все окисляется: углерод превращается в CO2, водород — в водяной пар, а металлические элементы — в металлические оксиды.

В течение миллисекунд, которые эти частицы металлического оксида проводят в огне, они сталкиваются и вырастают в нано- или микрочастицы. Я собираю эти частицы на фильтре, установленном над пламенем. Важные свойства, такие как размер и кристаллическая структура получаемых наночастиц, зависят от времени, проведенного частицами в огне.

Чем больше времени частицы проводят в кузнечном огне, тем крупнее они становятся. Мы также можем создавать сложные частицы, состоящие из нескольких элементов, сжигая смесь различных химических веществ. Этот процесс одновременно универсален и масштабируем — позволяя производить миллионы тонн наночастиц каждый год.

Преодоление ограничений!
Способность массово производить наночастицы стала одной из самых больших проблем в производстве нанотехнологий в больших масштабах. Это связано с тем, что большинство наночастиц, используемых в нанотехнологиях, можно создать только с помощью «мокрой химии» или с использованием жидкостей.

Процесс получения наночастиц из жидкостей в колбах может занимать часы: смешивание, нагрев, отделение и центрифугирование для получения лишь крошечных количеств материала. Эти процедуры зачастую слишком затратны и опасны для масштабирования, необходимого для жизнеспособной коммерциализации.

Например, квантовые точки (наночастицы, созданные из полупроводниковых материалов, обладающих как оптическими, так и электрическими свойствами) — открытие, отмеченное Нобелевской премией по химии в 2023 году. Эти наночастицы имеют потенциал революционизировать множество технологий, включая солнечные элементы, улавливание углерода и контрастные агенты, используемые в медицинской визуализации.

Тем не менее, квантовые точки практически не применяются в этих технологиях на большом масштабе, поскольку их производство с использованием мокрой химии может обойтись в колоссальные 45 000 долларов за грамм.

Однако в отличие от мокрой химии, огонь является простым, дешевым, масштабируемым и, что удивительно, безопасным процессом. Поэтому, когда разрабатываются методы, позволяющие производить высокоценные наночастицы, такие как квантовые точки, с помощью огня, затраты резко снижаются, и они становятся немедленно масштабируемыми и интересными для промышленности.

Тем не менее, огонь также может производить вредные частицы и побочные продукты.

Например, если вы положите салфетку перед выхлопом вашего автомобиля, на ней накопится черный налет. Этот черный осадок — сажа, образующаяся в результате горения внутри двигателя. Аналогично, курение сигарет приводит к образованию сажи и ее накоплению в легких курильщика, что часто вызывает рак.

Сажа также, по некоторым оценкам, является третьим по величине источником глобального потепления после углекислого газа и метана. Однако эти оценки могут недооценивать истинный вклад сажи в парниковые эффекты.

Технология пиролиза с распылением в пламени также использовалась для моделирования условий горения, чтобы более точно изучить влияние образующейся сажи, а также протестировать изменения процесса, которые могли бы практически исключить выбросы сажи. Например, одно из исследований показало, что инъекция воздуха после сгорания реактивного топлива может снизить выбросы сажи более чем на 90 процентов. Пиролиз с распылением в пламени может оставаться полезным инструментом для исследования воздействия загрязнений.

Будущее наночастиц.
Однако не все наночастицы могут быть произведены с помощью огня. Поэтому исследования, направленные на поиск новых рецептов и процессов для создания высокоценного материала, который в настоящее время невозможно получить с помощью огня, могут оказать значительное влияние.

Например, одной из основных задач моей текущей работы является исследование возможности использования огня для производства графена. Графен — это самый прочный материал, известный на наноуровне. Мои предыдущие работы показывают, что с помощью ультрафиолетового света графен может быть преобразован в прочные макроскопические структуры, что, возможно, позволит использовать его в 3D-печати.

Кроме того, существует огромный неиспользованный потенциал в наномедицине для интеграции наночастиц, которые уже можно производить с помощью огня. В настоящее время лишь около 30 типов наночастиц одобрены Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США — например, те, которые используются в вакцинах против COVID-19, а также железосодержащие наночастицы, применяемые для лечения анемии и заболеваний почек.

Все одобренные наномедикаменты вводятся инъекционно. Это оставляет много возможностей для исследования преимуществ неорганических наночастиц в медицине, особенно в области перорально применяемых терапий.

Исследователи создали молекулярную наноклетку, способную эффективно улавливать основную массу per- и полифторалкильных соединений (PFAS), присутствующих в воде, и превосходящую по эффективности традиционные методы фильтрации с использованием активированного угля. Эта миниатюрная система фильтрации, основанная на органическом нанопористом материале, специально разработанном для избирательного захвата PFAS, удалила 80–90% этих веществ из сточных и грунтовых вод соответственно, при этом практически не оказывая негативного воздействия на окружающую среду.

Исследование проведено учёными Университета Буффало и опубликовано в журнале ACS ES&T Engineering.

PFAS — это химические соединения, которые иногда называют «вечными химикатами». Они широко применяются в производстве пищевой упаковки, антипригарных покрытий и других изделий. PFAS крайне устойчивы к разложению и чрезвычайно трудно выводятся из водных источников.

Согласно данным исследований, воздействие PFAS может вызывать широкий спектр неблагоприятных последствий для здоровья, включая снижение фертильности, задержки в развитии у детей и повышенный риск развития некоторых видов рака. Безопасное и эффективное удаление PFAS из грунтовых, сточных и других водных источников остаётся национальной задачей.

Молекулярные наноклетки ранее рассматривались как перспективные кандидаты для удаления загрязнителей, включая PFAS. Их прочная структура позволяет захватывать, удалять и химически обезвреживать опасные вещества, такие как PFAS и другие. Кроме того, по мнению авторов исследования, такие наноклетки потенциально способны фильтровать вредные газы из воздуха.

В ходе работы учёные синтезировали наноклетки из органических соединений, известных как порфирины. Ранее уже было показано, что порфириновые наноклетки успешно удаляют из воды красители, антибиотики, инсектициды и вещества, нарушающие гормональный баланс человека.

Далее исследователи проверили способность своих наноклеток поглощать 38 различных видов PFAS, включая GenX — распространённый компонент антипригарных покрытий и других материалов. Результаты показали, что наноклетки удаляют до 90% PFAS из грунтовых вод и до 80% — из необработанных сточных вод.

Органические молекулярные наноклетки также значительно превзошли по эффективности активированный уголь, особенно при очистке необработанных сточных вод. Как отмечают исследователи, активированный уголь и другие методы очистки, такие как ионообменные смолы и обратный осмос, слабо взаимодействуют с PFAS, а также отличаются высокой стоимостью, сложностью обслуживания и значительным энергопотреблением по сравнению с наноклетками.

«Порфириновые наноклетки представляют собой потенциально практичное решение проблемы удаления PFAS», — отмечает Сэми Эль-Шалл, директор программы в отделе химии Национального научного фонда США. — «Этот материал можно производить в промышленных масштабах, а структуру клеток модифицировать так, чтобы удалять исключительно PFAS, не затрагивая другие компоненты воды».

Несмотря на то, что солнечные топливные системы, использующие наночастицы TiO₂, являются отличным альтернативным источником энергии, они часто ограничены по мощности, поскольку могут проводить фото-каталитические реакции, лишь поглощая невидимый УФ-свет. Это создает значительные проблемы для реализации, включая низкую эффективность и необходимость в сложных фильтрационных системах.

Однако, когда исследователи добавили медь в материал для улучшения этого процесса, их новые структуры, названные наночастицы, смогли поглощать достаточно световой энергии для разрушения вредных загрязнителей в воздухе и воде, сказала Пелагия-Ирен Гума, ведущий автор исследования и профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Огайо.

"Не было простого способа создать что-то вроде одеяла, которое можно положить на воду и начать генерировать энергию", — сказала она. "Но мы единственные, кто создал такие структуры и продемонстрировал, что они действительно работают".

Исследование было недавно опубликовано в журнале Advanced Science.

Когда диоксид титана поглощает свет, образуются электроны, которые окисляют воду и атакуют загрязнители, медленно разрушая их до безопасного состояния. Когда добавляется медь, этот процесс ускоряется, что делает его еще более эффективным.

Чтобы определить это, исследователи работали над характеристикой обновленных свойств наночастицы, чтобы понять, как он ведет себя и чем отличается от других самоочищающихся наночастиц, сказала Гума. Удивительно, но исследователи обнаружили, что по сравнению с традиционными солнечными элементами, эти наночастицы могут быть более успешными в генерации энергии при естественном солнечном свете, добавила она.

"Эти наночастицы могут использоваться как генераторы энергии или как инструменты для очистки воды", — сказала она. "В обоих случаях у вас есть катализатор с самой высокой эффективностью, о которой сообщалось на сегодняшний день".

Эти легкие, легко снимаемые волокнистые маты могут плавать и работать на любой водной поверхности и даже могут быть использованы повторно через несколько циклов очистки. Поскольку наночастицы столь эффективны, исследователи предполагают, что их можно использовать для удаления промышленных загрязнителей в развивающихся странах, превращая загрязненные реки и озера в источники чистой питьевой воды.

Кроме того, поскольку эта технология не генерирует токсичных побочных продуктов, как некоторые солнечные электрические системы, наночастицы являются исключительно экологически чистыми. "Это безопасный материал, он никому не навредит и настолько чист, насколько это возможно", — сказала Гума.

Тем не менее, хотя технология этой команды невероятно эффективна, сколько времени потребуется для ее коммерческого масштабирования, зависит от того, как быстро индустрия обратит на продукт внимание. "У нас есть инструменты для их массового производства и перевода в различные отрасли", — сказала Гума. "Единственное ограничение в том, что нужно, чтобы кто-то воспользовался этими обильными ресурсами".

В целом, результаты исследования предполагают, что наночастицы могут стать многообещающим инструментом в многих будущих фото-каталитических приложениях, включая долгосрочные усилия по устойчивому развитию, такие как экологическая реабилитация, а также производство водорода на солнечной основе.

В то же время команда планирует изучить способы дальнейшей оптимизации материала.

"Этот материал совершенно новаторский с точки зрения новой формы нанотехнологии", — сказала Гума. "Это действительно впечатляюще и то, чем мы очень гордимся".