что нового на июнь 2021 открыли ученые
Прорыв года: журнал Science назвал десятку самых ярких научных достижений за 2021 год
2021 год был богат на научные открытия. Изучение внутренней структуры Марса было одним из самых ярких по мнению редакции Science.
Иллюстрация C. Bickel/Science.
Трёхмерная структура белка.
Altounian/I. R. Humphreys et al./Science.
Поиски образцов доисторической ДНК в местах стоянок древних людей.
Фото Devlin Gandy/University of Cambridge.
192 мощных лазерных луча направляются на капсулу с топливом.
Иллюстрация LLNL.
Направляющая РНК (синяя) от инъекции CRISPR приводит фермент, расщепляющий ДНК (белый), к своей цели (оранжевый).
Иллюстрация Ella Maru Studio/Science Source.
По уже устоявшейся традиции, подводя итоги 2021 года, прославленное научное издание Science выбрало достижение, достойное звания «научный прорыв года».
В этом году им заслуженно стал «астрономический» скачок в исследованиях трёхмерной структуры белков, ставший возможным благодаря прогрессу в разработке искусственного интеллекта.
Поясним, что в человеческом теле присутствуют сотни и сотни тысяч белков, выполняющих жизненно важные функции. Определение структуры каждого из них не только углубляет наше понимание основ биологии, но и позволяет обнаружить новые многообещающие «мишени» для лекарственных средств.
Белки — это «рабочие лошадки» биологии, пишет издание Science. Они сокращают наши мышцы, превращают пищу в клеточную энергию, переносят кислород по организму и борются с микроорганизмами-захватчиками.
Тем не менее, несмотря на на столь «разносторонние таланты», все белки имеют одну и ту же основу: линейную цепочку из 20 различных видов аминокислот, связанных друг с другом в последовательности, закодированной в нашей ДНК.
После сборки на клеточных фабриках — рибосомах — каждая цепочка складывается в уникальную, изысканно «выточенную» трёхмерную форму. Эти структуры, которые определяют, как белки взаимодействуют с другими молекулами, также определяют их роль в клетке.
В 1950-х годах ведущим подходом для определения трёхмерной структуры белков стал метод, известный как рентгеновская кристаллография. Исследователи начали наносить на карту трёхмерные структуры белков, анализируя, как рентгеновские лучи «рикошетят» от атомов молекул.
В 1960-х годах исследователи уже предполагали, что взаимодействия между аминокислотами приводят белки в их окончательную форму. Но, учитывая огромное количество возможных взаимодействий между каждым отдельным звеном цепи, белки даже небольшого размера могут принимать астрономическое количество возможных форм.
К этому моменту учёные ясно понимали, что для расшифровки всех белков человеческого организма им потребуются сотни лет и сотни миллиардов долларов. Эта конечная цель казалась совершенно недостижимой.
Чтобы ускорить этот процесс, в 1970-х годах учёные начали создавать компьютерные модели, чтобы предсказать, как будет сворачиваться каждый конкретный белок.
Теперь, по прошествии почти 50 лет, исследователи показали, что программное обеспечение, управляемое искусственным интеллектом, может воспроизводить тысячи точных белковых структур — достижение, которое является прорывом 2021 года в науке по версии престижного научного издания Science.
За эти 50 лет была проведена огромная работа, которая сделала этот прорыв возможным. Со временем разработчики компьютерных моделей научились хитростям, позволяющим улучшить их расчёты.
Например, отрезки аминокислот, общие для двух белков, часто складываются одинаково. Если белок с неизвестной структурой разделяет, скажем, 50% своей аминокислотной последовательности с белком, имеющим известную структуру, последний может служить «шаблоном» для построения компьютерных моделей.
Ещё одно важное открытие пришло из области эволюции. Исследователи поняли, что если одна аминокислота изменится в белке, принадлежащем близкородственным организмам, таким как шимпанзе и человек, то аминокислоты, расположенные поблизости в свернутой молекуле, также должны будут измениться, чтобы сохранить форму и функцию белка.
Это означает, что исследователи могут сузить поиски, находя аминокислоты, которые эволюционируют совместно: даже если они находятся далеко друг от друга в развёрнутой цепи, они, вероятно, являются соседями в окончательной трёхмерной структуре.
К 2018 году появилась выдающаяся программа AlphaFold, управляемая искусственным интеллектом. Разработанная дочерней компанией Google DeepMind программа обучается работе с базами данных уже экспериментально решённых структур.
В 2020 году вышла её преемница AlphaFold2. Благодаря сети из 182 процессоров, оптимизированных для машинного обучения, AlphaFold2 проявила себя гораздо лучше других разработанных к этому времени алгоритмов поиска белковых структур.
В 2021 году прогнозы искусственного интеллекта резко улучшись: они стали гораздо быстрее и более надёжными. В середине июля стало известно, что программа RoseTTAFold расшифровала структуры сотен белков, причём все они относятся к классу распространённых лекарственных «мишеней».
Неделю спустя учёные DeepMind сообщили, что они сделали то же самое с 350 000 белков, обнаруженных в человеческом теле — это 44% всех известных человеческих белков!
Исследователи ожидают, что в ближайшее время их база данных вырастет до 100 миллионов белков всех видов, что составляет почти половину от их общего числа.
Код для AlphaFold2 и RoseTTAFold теперь общедоступен, что помогает другим учёным присоединиться к поискам.
Уже сегодня учёные, изучающие структуру вируса SARS-CoV-2, используют AlphaFold2 для моделирования эффекта мутаций в шипиковом белке штамма «омикрон». Встраивая в белок более крупные аминокислоты, мутации изменили его форму — возможно, настолько, что антитела не могут связаться с ним и нейтрализовать вирус.
Впереди исследователей ждёт много работы. Белковые структуры не статичны, они изгибаются и скручиваются, выполняя свою работу. Моделирование этих изменений остаётся сложной задачей.
Однако бурный рост числа научных достижений, основанных на искусственном интеллекте, в этом году открывает невиданные ранее перспективы, которые навсегда изменят биологию и медицину, какими мы их знаем.
Ещё больше прорывных исследований
2021 год подарил нам множество не менее вдохновляющих научных открытий.
Чего стоит новая технология поиска элементов животной ДНК в древних образцах почвы. Благодаря ей исследователи нашли ранее неизвестную генетическую линию неандертальцев, научились определять пол и прижизненные особенности представителей вымерших видов, не имея на руках ни единой окаменелости.
Также в 2021 году была достигнута важнейшая веха в термоядерном синтезе: термоядерный реактор наконец выработал больше энергии, чем было затрачено на его работу. Мы подробно писали об этом выдающемся научном прорыве в нашем недавнем материале.
Война с пандемией продолжается
Вакцины от новой коронавирусной инфекции, без сомнения, находятся в авангарде сражения с пандемией COVID-19.
Однако стоит упомянуть и о ряде противовирусных препаратов, разработанных (и «перепрофилированных») в течение этого года, которые занимают почётное место в арсенале медицинских «боеприпасов», подготовленных к отражению натиска опасной инфекции.
То же самое можно сказать и о прорыве в разработках моноклональных антител, создаваемых для борьбы не только с новым коронавирусом, но и вирусами гриппа, Зика, цитомегаловируса и многих других патогенов.
Марсианские хроники
В этом году научное сообщество потрясла новость о том, что внутренняя структура Марса была наконец досконально изучена. Это достижение стало возможным благодаря слаженной работе специалистов НАСА и подробным данным, собранным чувствительными приборами на борту марсианского посадочного модуля InSight. Подробности этого открытия мы описывали в одном из наших материалов.
Новая физика
2021 год принёс замечательные новости и в области физики элементарных частиц. Самое громкое открытие за долгие годы подтверждает существование необычного явления, впервые обнаруженного два десятилетия назад. Частица, известная как мюон — более тяжёлый и нестабильный «брат» электрона — проявляет больше магнетизма, чем это предсказывала преобладающая теория.
Как сообщалось в апреле этого года, несоответствие всего в 2,5 части на миллиард может быть признаком новых неизвестных частиц, расширяющих горизонты привычной Стандартной модели физики.
Редактирование генома и вопросы этики
Не стоит забывать и о крупных достижениях в области генной инженерии. Технология CRISPR в течение 2021 года «перебралась» из пробирки в организм живых пациентов.
CRISPR-терапия — введение отредактированных генов в организм пациента — уже позволила улучшить зрение слабовидящих добровольцев и начать борьбу с наследственными заболеваниями крови.
Однако узнав новость о рождении первых близнецов с отредактированным геномом, научное сообщество было взволновано потенциальными рисками подобных громких достижений.
В свою очередь, исследования с участием человеческих эмбрионов всё ещё ограничены жёсткими законодательными рамками.
В этом году учёные предложили этому ряд потенциальных альтернатив: им удалось поддерживать развитие мышиных эмбрионов в пробирке в течение гораздо более продолжительного времени. Также исследователи разработали «реплики» эмбрионов из человеческих стволовых клеток а также «перепрограммированных» взрослых клеток.
В мае 2021 года эта область исследований получила ещё один важный импульс к развитию. Международная организация, устанавливающая руководящие принципы исследования стволовых клеток, ослабила давний запрет на выращивание человеческих эмбрионов в лаборатории на срок более 14 дней. Это послабление позволило учёным исследовать этапы эмбрионального развития, происходящие после этого времени.
Почему это послабление встретило волну общественной критики, мы разбирали в одном из наших материалов.
Ранее мы рассказывали о том, какие научные достижения вошли в десятку важнейших научных прорывов по версии журнала Science в 2020 году.
Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».
ТОП-5 уникальных научных открытий российскими учеными в 2021-ом
В декабре 2020 Президент РФ Владимир Путин объявил, что 2021 год станет Годом науки и технологий. Об этом он объявил на заседании Попечительского Совета МГУ. Связано это было, как вы догадываетесь, с обрушившейся на весь мир пандемией. Стало четко понятно, что особенно значимы сейчас сферы науки, медицины и технологий.
Нужно отметить, Россия всегда славилась талантливыми учеными, вот только вспоминают о них не все и не всегда, а только когда случаются какие-то катаклизмы. Поскольку 2021 подходит к концу, предлагаю вспомнить, какие же значимые научные открытия представили миру российские ученые за этот непростой год!
Три зарегистрированных вакцины от коронавируса
Это наиболее важное достижение в период бушующей пандемии! В конце февраля этого года Министерство здравоохранения РФ зарегистрировало третью вакцину «КовиВак». Она была разработана подведомственным Минобрнауки России Федеральным научным центром исследований и разработки иммунобиологических препаратов им. М. П. Чумакова РАН. Вакцина прошла клинические исследования в 2020 году в городах: Новосибирске, Санкт-Петербурге и Кирове. В опыте приняли участие более 400 человек. Если это третья вакцина, то какие первые две? Самые распространенные: «Спутник V» и «Спутник Лайт».
Министр науки и высшего образования РФ Валерий Фальков прокомментировал: «В 2020 году, когда мир столкнулся с пандемией коронавируса, общество по-новому посмотрело на значимость научной деятельности, на важность работы учёных. Российская наука еще раз доказала свое превосходство, создав первую в мире вакцину от коронавируса. Сегодня уже два отечественных препарата активно используются и доказывают свою эффективность. Регистрация третьей вакцины ещё более укрепит наши позиции как страны с большим научно-технологическим потенциалом».
Защита данных по модели Data Trusts
Мы живем в такое время, когда, по сути, все наши данные находятся в обширной Сети. Мы сами публикуем посты в социальных сетях, записываем сторис в Instagram, подписываемся на интересующие нас паблики и так далее. Все эти действия формируют наш портрет в Сети.
В период пандемии, когда все вынуждены были сидеть в карантине и переключиться на дистанционную работу, количество кибератак заметно возросло. Об этом сообщает Accenture. Некоторые компании пострадали от утечек информации и были вынуждены придать особое значение кибербезопасности.
Кстати, не только слабая защита данных (например, простые пароли, которые легко взломать) могли стать причиной утечек. Data Trusts — «доверительное хранение данных» — это современный подход к бережному хранению данных в Сети. Создается доверительный фонд, который бдит за вашей информацией в Сети и несет юридическую ответственность. При этом воспользоваться ей можно только после личного согласия владельца.
Представители Mozilla объяснили, что принцип доверительного управления данных означает то, что мы передаем данные специалисту, который распоряжается ими в наших интересах. Вся информация хранится в одном месте.
Научно-производственный комплекс персонифицированной медицины
Буквально недавно в Москве состоялось открытие Научно-производственного комплекса персонифицированной медицины. Он (комплекс) позволит «разрабатывать и совершенствовать новые технологии регенеративной и реконструктивной заместительной терапии и поможет связать научные исследования с клинической практикой». Об этом сообщает официальный сайт Министерства науки и высшего образования РФ.
Министр науки и высшего образования РФ Валерий Фальков объяснил значимость этого научного открытия: «Сегодня медицина учитывает особенности каждого отдельно взятого организма. Поэтому создание комплекса персонифицированный медицины отвечает самым современным запросам времени. Комплекс будет работать в тесной кооперации с образовательными, научными и клиническими партнерами. Мы уделяем большое внимание развитию медицинского образования».
Строительство двух научно-исследовательских судов (НИС) неограниченного района плавания
В этом году было положено начало строительству двух научно-исследовательских судов (НИС) неограниченного района плавания. Сделано это было с прицелом на проведение дальнейших морских научно-исследовательских работ.
«В новейшей истории России ещё не закладывали научно-исследовательские суда. Совместно с компанией «Роснефть» мы реализуем ряд крупнейших проектов, которые качественно меняют условия для развития российской науки. Одним из них является строительство многофункциональных научно-исследовательских судов на базе судоверфи «Звезда». И мы с нетерпением будем ждать момента, когда на рубеже 2024-2025 годов мы получим два современных научных судна«, — произнес торжественную речь Министр науки и высшего образования РФ Валерий Фальков.
Суда будут самостоятельно преодолевать льды и находиться в автономном плавании до 50 суток. На судах предусмотрены вертолетные площадки. Это сделано для того, чтобы была возможность эксплуатировать НИС в арктических условиях.
Виртуальная реальность и мультимедийный проект «Наука в формате 360°»
Уже ни для кого не секрет, что виртуальная реальность стала одним из результатов развития современных технологий. От каких-то банальных историй с пиксельной графикой это все дошло до полноценных онлайн-туров по различным местам. Особенно востребовано это стало в период пандемии, когда никуда нельзя было выходить. Многие театры, музеи и галереи предоставили пользователям такую возможность.
Недавно стало возможно посещение лаборатории Института ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения (ИЯФ СО) РАН. Это можно сделать на специальном сайте в рамках проекта «Наука в формате 360°». Вы сможете посетить основные объекты и лаборатории института, прокручивая курсор в разные стороны. Все сделано по принципу, если бы вы сами туда пришли и рассматривали все вокруг.
Изначально Проект РНФ «Наука в формате 360°» направлен на ознакомление всех желающих с научными лабораториями ведущих вузов и научно-исследовательских институтов России. Это позволяет людям увидеть те места, в которых далеко не у каждого есть возможность побывать.
Например, в мае этого года был представлен онлайн-тур по Курчатовскому институту. На данный момент в рамках проекта «Наука в формате 360°» представлены виртуальные экскурсии по МГУ, СПбГУ, Институту цитологии РАН (Санкт-Петербург), Объединенному институту высоких температур РАН, Институту биоорганической химии РАН и так далее.
Согласитесь, за 2021 год было достигнуто немало научных открытий! Мы с вами рассмотрели только ТОП-5, а ведь их гораздо больше. Пандемия заставила обратить внимание широкой общественности на сферу науки и технологий, а также на тех людей, которые долгое время оставались «за кадром».
Лечение ковида и поиск жизни на Марсе: главные научные открытия 2021 года
Коронавирус — варианты и лекарства
Год начался и заканчивается дискуссиями о новых вариантах коронавируса. В январе начала распространяться «альфа» (сначала этот штамм просто называли первым, или британским), потом пришла «дельта», а теперь — «омикрон». Что бы ни сулили нам новые варианты, встреча с ними подтверждает масштаб прогресса прикладной науки, вызванного пандемией. Примечателен уже сам факт, что мы узнаем о вариантах — во многих странах секвенирование генома вируса у больных ковидом стало рутиной. То есть секвенирование уже используется не только как инструмент изучения одного объекта, но и как подход в эпидемиологии, когда удается вычислить, какой именно вариант вируса распространяется по популяции сейчас и с какой скоростью. Более того, ученым удается в кратчайшие сроки не только определить мутации, но и сделать первые предположения о том, как они будут влиять на распространение вируса. Судя по предварительным данным, «омикрон» со своими многочисленными мутациями уходит от иммунитета, формирующегося после двух доз вакцины, но третья доза дает хорошую защиту.
Кроме того, Pfizer, компания — создатель самой массовой ковидной вакцины, объявила о разработке терапии, которая может на 90% снизить вероятность госпитализации и смерти у пациентов из группы высокого риска. Если это заявление подтвердится официальными данными клинических исследований, это будет первое лекарство, действительно справляющееся с вирусом. Пока что больных лечат поддерживающей терапией и стараются избежать ковид-ассоциированных диагнозов и осложнений.
Курс на Марс
В своих итогах 2021-го научный журнал Nature назвал Марс самым модным космическим направлением года. Марсоход Perseverance, отправленный NASA, добрался до его поверхности 18 февраля и открыл новую эру в исследовании других планет. Он «высадил» на Марс небольшой вертолет, который стал первым внеземным летательным аппаратом. Вертолет успешно занимается отбором проб грунта, которые затем будут доставлены на Землю и проанализированы в поисках ответа на старый вопрос: есть ли (или была ли) жизнь на Марсе? Perseverance не было одиноко вдалеке от Земли: 15 мая к нему присоединился марсоход первой китайской марсианской миссии Zhurong, а еще раньше на орбиту прибыл спутник Hope, снаряженный Объединенными Арабскими Эмиратами.
Новое лицо «тяжелого электрона»
Исследователи из американской Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (можно сказать, это американский аналог ЦЕРН, Европейской организации по ядерным исследованиям) в апреле объявили о результатах эксперимента Muon g-2 по изучению мюонов — нестабильных частиц, похожих на электрон, но крупнее его. Оказалось, что они куда более магнитны, чем предсказывает современная «теория всего» (на самом деле — почти всего) — Стандартная модель, которая описывает взаимодействие всех элементарных частиц.
Сейчас эти результаты проверяются и перепроверяются, и если они подтвердятся, это будет очень большое событие. Впервые за 50 лет существования Стандартной модели возникнет случай, когда она не описывает эксперимент. Может показаться, что это печально, но это не так. Стандартная модель совершенно не учитывает и не умеет описывать гравитацию. Чтобы «зацепиться» за эту проблему, нужно как раз найти в ней что-то, не отвечающее эксперименту, — а сделать это долго не удавалось. Так что новые свойства мюонов могут стать ниточкой, потянув за которую удастся расширить Стандартную модель и сделать ее по-настоящему «теорией всего», как мечтал Стивен Хокинг.
Первая CRISPR-терапия
Технологию редактирования генома CRISPR–Cas9, за которую в прошлом году дали Нобелевскую премию, не спешат применять на людях (не считая китайского ученого, который несколько лет назад генетически модифицировал еще не родившихся детей). Это разумно: клиническая практика требует совершенно другого уровня точности, безопасности и воспроизводимости, чем лабораторные исследования.
Однако в 2021 году ученым и клиницистам впервые удалось взять эту высоту: система CRISPR–Cas9 была успешно доставлена в человеческое тело, где отредактировала ген, вызывающий редкую тяжелую болезнь — транстиретиновый амилоидоз. Эта болезнь приводит к отложениям некорректно свернутого белка в разных человеческих органах, что может вызывать их дефектное функционирование. Генная терапия привела к тому, что ошибочный белок перестал синтезироваться — у двух пациентов, получивших высокую дозу терапии, уровень такого белка снизился на 87%. Это огромный прорыв.
Главные научные открытия 2021 года для отрасли ИКТ: выбор CNews
Второй год тема коронавируса продолжает оттягивать на себя внимание ученых и, соответственно, финансирование исследований. Однако есть ряд «модных» (таких как квантовый компьютинг) или насущных (поиск альтернативы литий-ионным аккумуляторам) тем, работы над которыми не останавливаются несмотря ни на что. Как и в прошлые годы, CNews рассказывает о наиболее важных для ИТ-рынка научных разработках.
Квантовые компьютеры — уже скоро?
В НИТУ «МИСиС» экспериментально доказали существование нового типа квазичастиц — ранее неизвестных возбуждений связанных пар фотонов на цепочках кубитов. Это открытие должно помочь создавать квантовые системы, устойчивых к ошибкам. «Мощность» квантовых компьютеров измеряется в кубитах, работа с которыми осложняется двумя обстоятельствами. Кубиты подвержены декогеренции (процесс нарушения слияния), которая сокращает срок службы кубитов и приводит к вычислительным ошибкам. А большими массивами кубитов очень сложно управлять. Если же создать из кубитов искусственную материю, то управление ими значительно упростится, что, в свою очередь, даст возможность создавать более мощные и более устойчивые к ошибкам квантовые системы.
Есть подвижки и в области передачи данных, базирующиеся на эффекте квантовой телепортации — переноса состояния квантовой частицы из одного места в другое при помощи запутанности. Так, группа ученых из Бразилии и Нидерландов смогла телепортировать квантовое состояние одиночного фотона на оптомеханическое устройство. Исследователи создали фотонный кубит, закодированный в произвольном состоянии, а затем перенесли его через десятки метров оптоволокна, чтобы путем телепортирования скопировать это состояние в квантовую память из двух кремниевых резонаторов размером около 10 мкм. Это достижение можно будет применять в усилителях сигнала, узлах сети связи, хранящих данные перед тем, как они телепортируются на следующие узлы. Такие устройства еще и выполняют функцию «квантовой памяти».
Также эксперименты по телепортации между двумя программируемыми кремниевыми микросхемами провели исследователи из Бристольского университета. В ходе экспериментов удалось получить передачу индивидуального квантового состояния частиц между чипами. По итогам эксперимента удалось передать 91% информации, что является хорошим показателем. Эти открытия помогут использовать квантовые технологии для создания мощных систем связи.
Еще одно открытие, которое может стать важной вехой на пути внедрения квантового компьютинга, сделали в Венском университете. Там смогли «связать» германий с алюминием создав монолитную гетероструктуру «металл-полупроводник-металл». Эта структура демонстрирует уникальные эффекты, которые особенно заметны при низких температурах. Алюминий становится сверхпроводящим, причем это свойство также передается и германиевому полупроводнику, что делает новую структуру превосходно подходящей для применения в квантовых технологиях. При этом она хорошо сочетается с уже известными технологиями микроэлектроники: германий уже используется в современных микросхемах, а температуры, необходимые для формирования гетероструктуры, совместимы с хорошо зарекомендовавшими себя схемами обработки полупроводников.
Литий и конкуренты
Литий-ионным элементам питания то ли 50 с небольшим лет (если отсчитывать от работ Майкла Уиттингема (Michael Whittingham), то ли 30, если вести их родословную от Акира Есино (Akira Yoshino). Для истории в равной степени ценны оба, получившие (в компании третьего разработчика, Джона Гуденафа, John Goodenough) в 2019 г. Нобелевскую премию по химии — как раз за изобретение и совершенствование литий-ионных технологий.
В любом случае, практически все технологии, что 30-, что 50-летней давности, применяемые в ИТ, уже давно на заслуженном отдыхе, а литий-ионные элементы по-прежнему практически незаменимы. Все проекты «гигафабрик» по производству аккумуляторов по-прежнему создаются под этот тип элементов.
Однако в последние годы изыскания в области альтернативных аккумуляторных технологий резко интенсифицировались. Литий и кобальт (еще один необходимый для производства аккумуляторов элемент) резко дорожают, кроме того, в новом дивном мире электромобилей их может банально не хватить. Поэтому проблема нахождения альтернативы — более емкой, быстрее заряжающейся и выдерживающей больше циклов зарядки и разрядки (и, по возможности, более экологичной) — важна как никогда.
Исследования ведутся во всех странах, материалы, которые с тем или иным успехом применяют для создания аккумуляторов, весьма различны — от бетона до алмазов. Впрочем, и литий не сдается без боя.
Австралийская Graphene Manufacturing Group совместно с учеными Квинслендского университета создала алюминиево-ионные батареи, в которых применяется графен. Как заявляют в компании, эти батареи имеют высокую плотность энергии и более высокую удельную мощность по сравнению с литий-ионными батареями, заряжаются в 70 раз быстрее, срок службы больше втрое, а, главное, в них используются недорогие элементы, цепочки поставок которых просты и надежны (что крайне важно в нынешних условиях).
В шведском Технологическом университете Чалмерса подобрали компоненты, которые позволяют сделать гигантским аккумулятором все здание. В их разработке используется бетонная смесь с включенными в нее углеродными волокнами. Также в эту смесь вмонтирована углеродная сетка, покрытая металлом, ученые решили использовать железо и никель для анода и катода соответственно. В результате получилась перезаряжаемая батарея с довольно высокой для этого типа аккумуляторов плотностью энергии 7 Вт*ч/кв.м (или 0,8 Вт*ч/л). Энергии аккумулятора должно хватить, например, на работу передатчиков 4G или малопотребляющих устройств «умного дома».
Есть и совсем экзотические варианты. Так, в Японии разработан аккумулятор на основе синтетических алмазов и радиоактивных изотопов. Одного его заряда хватает на сотни лет, и создатели предлагают использовать его в мощных буровых установках и космическом оборудовании (которые сейчас до предела компьютеризированы, так что можно считать, что и эти батареи помогут развитию информационных технологий). Залог долговечности — применяемые в батареях изотопы углерода и никеля с длительными периодами полураспада (5700 и 100 лет соответственно).
Также на основе связки «алмаз+радиоактивные вещества» создают батареи в американской Nano Diamond Battery и в российском НИТУ «МИСиС».
Впрочем, литий не сдается, совершенствуются традиционные элементы на основе из этого металла и разрабатываются новые. В частности, есть подвижки в деле создания твердотельных батарей. Quantum Scape представила результаты испытаний твердотельной литий-ионной батареи, которая заряжается на 80% за 15 минут, сохраняет более 80% емкости после 800 циклов, а ее объемная плотность энергии, 1000 Вт ч/л, примерно на 80% больше, чем у современных жидкостных литий-ионных элементов.
Еще один аккумулятор на базе лития получился при совершенствовании одноразовых батарей на основе литий-тионилхлорида. Из-за агрессивности хлора батарейки получались одноразовые (хотя и весьма конкурентоспособные по основным показателям). Многоразовость обеспечили катоды из пористого углерода. Утверждается, что емкость таких элементов может вшестеро превосходить емкость литий-ионных аккумуляторов, однако количество циклов перезарядки пока не превышает 200 (литий-ионный аккумулятор может выдержать до 1000 циклов).
«Хранить вечно»: «пятимерный» оптический диск вмещает 500 Тбайт
В Саутгемптонском университете разработали новый метод 5D-записи данных на оптические диски из кварцевого стекла. Фемтосекундные лазерные импульсы при записи диска создают в нем объемные микрокристаллы различной формы. Длина, ширина и высота каждого микрокристалла, а также сила и поляризация импульса света дают «пять измерений», в которых можно закодировать данные. За счет этого удалось добиться плотности записи до 5 Гбайт на однодюймовый квадратный носитель, что дает приблизительно 500 Тбайт на оптическом диске стандартных размеров, а скорость записи — как до 225 Кбайт/с. Точность записи составила 96,3%–99,5%, средства коррекции ошибок дают возможность поднять точность до100%.
«Классические» оптические диски хранят гораздо меньший объем (128 Гбайт хранит четырехслойный диск стандарта BluRay), и, что боле существенно, срок их гарантированной службы около десяти лет. Кварцевый диск практически вечен, в том числе и в экстремальных условиях, поскольку выдерживает нагрев до 1000°С. Диск перезаписываемый (перезаписываемые DVD надежно служат только два-три года).
Создавать «пятимерные» диски уже более десяти лет пробовали многие компании, однако все упиралось в скорость записи, которая была так мала, что на запись «обычного» диска в 4,7 Гбайт ушли бы месяцы. При том, что уже в 2013 г. диски, разработанные в университете, теоретически, могли бы хранить до 360 Тбайт, если бы, конечно, кто-то взял на себя труд записывать информацию на них в течение почти 60 лет на достигнутой тогда скорости в 12 Кбайт/с.
Нынешний 500-терабайтный диск на скорости 225 Кбайт/с можно записать «всего» за 4 года. Прогресс очевиден. Создатели диска обещают дальнейшее совершенствование системы записи, которая даст возможность наполнять диск за пару месяцев, в том числе — за счет использования нескольких лазеров.
Кроме невысокой скорости работы, внедрение технологии задерживается дороговизной оборудования, необходимого для записи, правда, читать диск можно с помощью гораздо более дешевых устройств.
Криптография квантовой эпохи
Так, компания BT объявила об успешном испытании работы механизма квантового распределения ключей (Quantum Key Distribution, QKD) в новом типе оптического волокна — пустотелом «антирезонансном безузловом».
Концепция QKD, базирующаяся на передаче ключей шифрования одиночными фотонами, появилась в 70-х годах, первая реализация была предложена в 1984 г.
Процесс обмена ключами посредством QKD считается невзламываемым, поскольку в нем в полной мере используется тот факт, что при попытке вмешаться в процесс передачи злоумышленник внесет изменение в состояние фотонов и будет обнаружен.
Как правило, в оптоволоконных линиях данные передаются по сплошному оптоволоконному каналу с использованием света разных длин волн (это повышает пропускную способность канала). При этом QKD-фотоны, передающие ключи, требуют выделенного волокна для того, чтобы световые потоки из высокоскоростных каналов передачи данных не создали помех. В противном случае потоки передаваемых данных могут внести помехи в процесс передачи ключей.
Использование пустотелого волокна — волокна с воздушным каналом внутри — уменьшает помехи и задержку сигнала. Таким образом, это позволяет по одному и тому же физическому волокну передавать как высокоскоростной поток зашифрованных данных, так и слабый квантовый сигнал из отдельных фотонов, который несет ключ шифрования этих данных. В BT считают, что низкая задержка полого оптоволокна и возможность отправлять ключи по тому же волокну, что и основной сигнал, дадут новый импульс исследованиям в области создания безопасных сетей связи.
Другой подход продемонстрировали ученые из университета штата Огайо, усовершенствовавшие технологию PUF (Physical Unclonable Function, «Физически неклонируемая функция»). PUF — это функция, воплощенная в физической структуре, которую просто оценить, но трудно охарактеризовать, смоделировать или воспроизвести. Физическая структура, содержащая PUF, состоит из множества случайных компонентов, которые вводятся в нее в ходе создания системы. При воздействии такая физическая система порождает уникальный, но непредсказуемый ответ. Воздействие и ответ образуют пару запрос-подтверждение.
Новое решение реализуется в PUF на уровне внедрения вариаций в компьютерные чипы. Эти вариации чрезвычайно малы, в некоторых случаях они существуют на атомном уровне.
Для пользователей эти изменения не заметны, но зато они могут применяться при создании так называемых «секретов» — уникальных последовательностей нулей и единиц.
Существующие сейчас PUF несовершенны, так как содержат ограниченное число «секретов». Это значит, что со временем их можно взломать. По мере внедрения квантового компьютинга это «время» существенно уменьшится.
В новой версии PUF ученые создали сложную сеть логических вентилей, связанных между собой случайным образом. Логические ворота вентиля принимают два электрических сигнала и формируют из них новый сигнал. Такое нестандартное использование ворот провоцирует ненадежное, непредсказуемое поведение системы, своего рода детерминированный хаос.
По подсчетам ученых, новый PUF может создать 10 в 77 степени «секретов». Гипотетический хакер, способный раскрывать 1 миллион комбинаций в секунду, потратит на расшифровку пароля примерно 20 миллиардов лет.