В этом году Нобелевские премии присуждены за научные работы, которые изначально имели (или же наверняка в ближайшем будущем будут иметь) самое прямое отношение к практическому воплощению высоких технологий
Нобелевские премии 2010: Нобель и шнобель

Первым лауреатом стал английский биолог Роберт Джеффри Эдвардс, создавший в сотрудничестве с хирургом-гинекологом Патриком Кристофером Стептоу (1913 — 1988) эффективный метод борьбы с бесплодием. Выпускники МФТИ, а ныне профессора Школы физики и астрономии Манчестерского университета Андрей Гейм и Константин Новоселов получили премию по физике. Они возглавляли группу из восьми исследователей, которые в 2004 году изолировали двумерную плоскую углеродную пленку с геометрически правильным расположением атомов — этому материалу прочат великое технологическое будущее. И наконец, премии по химии удостоены американец Ричард Фред Хек и японцы Эйити Негиши и Акира Сузуки, которые в 1960 — 1970-х годах разработали методы промышленного синтеза сложных органических соединений с помощью палладиевых катализаторов.

Это второй случай за всю историю Нобелевских премий, когда были отмечены достижения, столь близкие к практическим областям. Первый раз такое случилось в далеком 1912 году, когда премию по физиологии или медицине получил французский хирург и патофизиолог Алексис Каррель, создатель техники сшивания кровеносных сосудов. Обладателем премии по физике стал Нильс Густав Дален, изобретатель автоматического газораспределителя, применявшегося в системах освещения маяков (шведские академики явно благоволили к соотечественнику), а награда по химии досталась французам Виктору Гриньяру и Полю Сабатье за основополагающие исследования в области органического катализа, быстро получившие практическое применение.

Прикладные исследования нередко прорастают побегами, на которых созревают плоды самой что ни на есть фундаментальной науки. Так, созданная Эдвардсом методика экстракорпорального оплодотворения, ЭКО (ее еще называют оплодотворением in vitro, «в пробирке»), значительно способствовала исследованиям эмбриональных стволовых клеток человека. Уникальные электронные, механические и термические характеристики сверхтонких графитовых пленок — это интереснейшая физика (вероятно, со временем за ней последует и новая химия). И наконец, как отметил в беседе с «ПМ» президент Американского химического общества профессор Джозеф Франциско, работы Хека, Негиши и Сузуки доказали, что различные металлы способствуют формированию химических связей между атомами углерода, и тем позволили лучше понять свойства всей совокупности металлоорганических соединений. Тем не менее технологический потенциал награжденных исследований совершенно очевиден.

День первый: медицина и физиология

4 октября секретарь Нобелевской ассамблеи Каролинского института Горан Ханссон объявил Роберта Эдвардса, создателя метода ЭКО, единственным лауреатом 2010 года в номинации «физиология или медицина». И коллеги по профессии, и мировое общественное мнение немедленно согласились, что награда абсолютно заслуженна.

Первый ребенок из пробирки, англичанка Луиза Джой Браун, появилась на свет в манчестерской больнице 25 июля 1978 года за 13 минут до полуночи. А ее младшая сестра Натали в 1999 году стала первой в мире «девочкой из пробирки», у которой родился ребенок, зачатый традиционным способом. С этого времени экстракорпоральное (то есть осуществленное вне материнского организма) оплодотворение привело в этот мир еще 4 млн долгожданных детей (90% из них — за последние десять лет). Так что методика Эдвардса давно обрела мировую славу.

Эдвардс никогда не отличался любовью к публичности, и о его жизни известно не так уж много. Родился он 27 сентября 1925 года в Манчестере, прошел военную службу, получил биологическое образование в Университете Уэльса, где специализировался по зоологии. Изучал генетику и эмбриологию в Эдинбургском университете, в 1955 году защитил докторскую диссертацию по эмбриологии. После годичной стажировки в Калифорнийском технологическом вернулся на родину и пять лет проработал в Национальном институте медицинских исследований, откуда в 1962 году перешел в Университет Глазго. Годом позже получил исследовательскую должность в отделении физиологии Кембриджского университета, откуда в 1989 году вышел в отставку в звании почетного профессора. В 1984 году был избран в Королевское общество, в 2001-м удостоился престижной Ласкеровской премии за исследования в области клинической медицины.

Репродуктивной медициной Эдвардс заинтересовался еще в 1950-х. А в 1966 году он начал сотрудничать со Стептоу, своим бессменным соратником. В 1980-м они основали под Кембриджем клинику Bourn Hall — первый в мире медицинский центр, специализирующийся на борьбе с бесплодием с помощью ЭКО. С 1988 по 1991 год Эдвардс был научным директором этой клиники, а также в разное время редактировал несколько журналов по репродуктивной медицине.

В начале 1960-х Эдвардс пришел к выводу, что ЭКО подарит счастье материнства великому множеству женщин, страдающих непроходимостью фаллопиевых труб и другими видами бесплодия. К тому времени эта техника уже была успешно испытана американским биологом М.Ч. Чангом — но только в опытах на кроликах. Эдвардс посвятил многие годы изучению особенностей созревания и развития ооцитов в женском организме. В частности, он собрал важную информацию о том, какие биологически активные вещества влияют на их созревание и какие условия нужны для слияния зрелой яйцеклетки со сперматозоидом. Эта работа принесла первые плоды в 1969 году, когда Эвардс с помощью своего аспиранта Барри Бавистера впервые в мире оплодотворил человеческую яйцеклетку in vitro.

Удачный эксперимент проложил дорогу к лечению бесплодия с помощью ЭКО, однако сделать еще предстояло многое. Главная сложность заключалась в том, что оплодотворенные яйцеклетки неизменно прекращали деление уже на двуклеточной стадии. Эдвардс догадался, что ооциту необходимо дать созреть в яичнике, а затем уже извлекать для оплодотворения in vitro. На этой стадии ему очень помогла кооперация с Патриком Стептоу, который первым в Англии начал проводить гинекологические тесты посредством лапароскопа. Стептоу разработал методику, позволяющую с помощью этого инструмента извлекать из яичника не вполне созревшие ооциты. Для окончательного вызревания их помещали в питательную среду, после чего добавляли сперматозоиды. Совершенствование этой методики заняло долгие годы и увенчалось рождением Луизы Браун.

День второй: физика

5 октября генеральный секретарь Шведской королевской академии наук Стаффан Нормарк объявил, что Нобелевская премия по физике присуждена Андрею Гейму и Константину Новоселову за эксперименты с двумерным материалом графеном. О самих лауреатах в российских СМИ написано очень много, поэтому нет смысла повторяться. А вот на их достижениях стоит остановиться поподробнее.

Что такое графен? Это плоский (двумерный, толщиной в один атом) кристаллический слой, составленный из атомов углерода, расположенных в вершинах правильных шестиугольников (такая структура называется гексагональной) с длиной ребра 0,142 нм. Конечно, атомы отнюдь не точки, поэтому графеновая пленка не тождественна геометрической плоскости. Однако в такой решетке импульсы электронов проводимости имеют всего две горизонтальные компоненты, и поэтому движение электронов можно счесть строго двумерным. В последние годы были получены и другие двумерные кристаллы, например нитрид бора BN и дисульфид молибдена MoS2.

Термин «графен» появился задолго до публикации работы Гейма и Новоселова — впервые это слово было упомянуто в 1987 году в статье французского специалиста по химии твердого тела С. Мураса и его соавторов. Она была посвящена материалам-сандвичам, состоящим из плоских двумерных гексагональных углеродных решеток с вкраплениями атомов фтора. Название подхватили и стали применять сначала для описания стенок углеродных нанотрубок, а потом и для других углеродных структур.

В определенном смысле графен существует в природе. Карандашный грифель оставляет след именно потому, что состоит из великого множества параллельных графеновых слоев. Они слабо связаны друг с другом и поэтому легко отшелушиваются (в принципе, пользуясь простым карандашом, каждый имеет шанс оставить на бумаге частицу графена). Сотрудники манчестерской лаборатории Гейма отслаивали такие листки на обыкновенный скотч и переносили их на пластинку из окиси кремния. У них получались углеродные пленки различной толщины, в том числе и моноатомные, которые удалось идентифицировать с помощью оптического микроскопа. Позднее были разработаны и другие способы получения этого двумерного материала, однако качество «канцелярского» графена до сих пор остается непревзойденным.

Уже сейчас графен научились изготовлять не миллиметровыми кусочками, как в первых экспериментах, а листами 70-сантиметровой ширины. Предполагается, что графен будет востребован электроникой и оптоэлектроникой, найдет применение в наноэлектромеханических устройствах, ультраконденсаторах, композитных материалах, химических анализаторах, адсорбентах, мембранных технологиях и многом другом. Причем вполне возможно, что это произойдет даже раньше, чем надеются самые заядлые оптимисты. Вот два совсем свежих примера. Перед самым объявлением Нобелевского комитета сотрудники Технологического института Джорджии объявили, что разместили 10 000 графеновых транзисторов на пластинке из карбида кремния площадью чуть меньше четверти квадратного сантиметра. И как раз 5 октября физики из Калифорнийского университета и Университета Райса представили в журнал ACS Nano сообщение, что им впервые в мире удалось изготовить графеновый однотранзисторный усилитель.

День третий: химия

Когда 6 октября профессор Нормарк назвал имена новых обладателей Нобелевской премии по химии, представители этой науки вздохнули с облегчением. В течение семи предшествующих лет пять раз награды в этой номинации присуждались за исследования в области молекулярной биологии (в 2003, 2004, 2006, 2008 и 2009 годах). Химики воспринимали эту тенденцию как несомненный перекос. Но сейчас оснований для недовольства нет: согласно официальной формулировке, премия присуждена за использование соединений палладия для катализа синтеза органических соединений посредством реакций кросс-сочетания. Это чистая химия, и лауреаты 2010 года — Ричард Фред Хек, Эйити Негиши и Акира Сузуки — в ней бесспорные классики.

В основе органического синтеза лежит создание химических связей между атомами углерода, упакованными в молекулах исходных реагентов. Но беда в том, что эти атомы вовсе не склонны порывать прежние связи и вступать в новые. Чтобы их подтолкнуть (на химическом языке — активировать), нужны катализаторы.

Их поиск начался давно. Еще в начале XX века химики выяснили, что роль активаторов углерода могут выполнять некоторые металлы. Однако тогдашние методы катализа не были специфичными. Исходные углеводороды вступали в непредсказуемые связи, а вовсе не трансформировались в запланированные молекулы. Поэтому металлический катализ органического синтеза долго считали методом хоть и перспективным, но не слишком надежным и очень капризным. Прорыва добились только в конце 1960-х годов, когда Ричард Хек нашел элегантный способ связывать углеводороды. В ходе одной из первых демонстраций своего метода он подцеплял атом брома к одному из шести углеродных атомов в вершинах бензольного кольца. В связке с бромом углерод охотнее вступал в химические реакции, поскольку расставался с частью своих электронов. Когда к бензолу добавляли этилен и соединение палладия, то один из углеродных атомов этилена связывался с маркированным углеродом бензола. Таким образом Хек синтезировал стирол — строительный блок полистироловых полимеров. В ходе этого синтеза атомы углерода, первоначально принадлежавшие разным соединениям, вступали в химическую связь с палладием, а потом и друг с другом. Такое объединение исходно удаленных партнеров составляет основу реакций кросс-сочетания (в русской химической литературе установился именно такой перевод термина cross coupling, хотя, наверное, «перекрестное спаривание» было бы точнее).

В следующем десятилетии Негиши и Сузуки усовершенствовали метод Хека и значительно расширили возможности тонкого органического синтеза. Сейчас палладиевые катализаторы применяют для изготовления лекарств, пестицидов, органических светодиодов и великого множества самых разных продуктов. К разработке метода кросс-сочетаний приложили руку и другие химики, в частности погибший в 1989 году в авиакатастрофе Джон Кеннет Стилл и профессор Стэнфордского университета Барри Трост.

Статья «» опубликована в журнале «Популярная механика» (№1, Январь 2011).