Новости

Ученые из России, Китая и США предсказали и экспериментально создали новые соединения урана, часть из которых обладает сверхпроводящими свойствами. Их выводы были представлены в журнале Science Advances.

"В полученных нами результатах наиболее примечательны два момента. Во-первых, невероятно богатая химия гидридов урана под давлением, большая часть которых не вписывается в правила классической химии. А во-вторых, возможность их получения и сверхпроводимость при совсем небольших давлениях, возможно, вплоть до атмосферного", — рассказывает Артем Оганов, профессор Сколтеха и МФТИ.

Химия успеха

За последние годы физики открыли или создали несколько видов сверхпроводников, способных работать при очень высоких температурах, которая в самых лучших случаях достигает всего минус 70 градусов Цельсия, что уже почти достижимо в природных условиях. К примеру, такие свойства были открыты три года назад  российскими и немецкими химиками у обычного сероводорода, сжатого до миллиона атмосфер.

Их появление потребовало нового объяснения того, как таким структурам удается проводить ток без видимых потерь, несмотря на то, что они "нарушают" основы первой теории сверхпроводимости, сформулированной еще в конце 50 годов.

Оганов и его коллеги уже достаточно долгое время изучают свойства новых сверхпроводников, используя алгоритм USPEX, созданный российским химиком для просчета того, как ведут себя различные кристаллы и другие структуры из множества атомов при экстремальных давлениях, температурах и в прочих условиях.

Открытие "тухлых" сверхпроводников и раскрытие необычной связи между таблицей Менделеева и сверхпроводимостью заставило его команду задуматься о том, какие другие соединения водорода могут обладать сверхпроводящими свойствами, особенно при более высоких температурах и низких давлениях.

Используя те же методики, российские химики и их коллеги из Китая и США начали изучать свойства различных соединений металлов и водорода. Их внимание привлекли гидриды урана –  токсичные и относительно "гипотетические" соединения, существование части которых раньше ставилось под сомнение.

Химики просчитали свойства различных вариантов гидрида урана при разных давлениях, начиная с нуля и заканчивая теми, которые царят в ядре Земли, и выяснили, какие из них будут стабильными в подобных условиях.

На пути к острову сверхпроводимости

Как оказалось, в более экстремальных условиях может существовать не только тригидрид урана, открытый в середине прошлого века, а еще 14 других разновидностей, в которых один атом урана соединяется с очень большим числом атомов водорода, от пяти и до девяти штук.

Многие из этих соединений были затем получены в экспериментах группы профессора Александра Гончарова из Института Карнеги в Вашингтоне (США) и Института физики твёрдого тела Китайской академии наук (Китай). Для этого ученые синтезировали тригидрид урана (UH3) и сжимали его в алмазной наковальне, нагревая при этом при помощи лазера.

Изучение свойств этих соединений раскрыло крайне любопытную вещь – многие из них были сверхпроводниками, и сохраняли подобные свойства при достаточно высоких температурах и аномально низких давлениях по сравнению со сверхпроводящим сероводородом.

К примеру, самое интересное из этих веществ, гептагидрид урана (UH7), проводило ток без сопротивления при давлении в 200 тысяч атмосфер, что заметно меньше тех значений, которые наблюдались во время опытов с "тухлыми" сверхпроводниками.

Добавление других атомов в этот материал, как предполагают Оганов и его коллеги, позволит поднять температуру при которой он остается сверхпроводником – сейчас она равна минус 219 градусам Цельсия. В свою очередь, дальнейшее изучение гидридов металлов, находящихся внутри "островка сверхпроводимости" на таблице Менделеева, поможет найти такое соединение, которое проявляло бы подобные свойства при почти атмосферном давлении.

Ученый рассказал, за что дали Нобелевскую премию по химии

Нобелевский комитет отметил премией в области химии трех исследователей Фрэнсис Арнольд, Джорджа Смита и Грегори Уинтера за разработку методов, которые помогают создавать новые лекарства. Оба метода — направленная эволюция ферментов и фаговый дисплей используют живые организмы и биологические молекулы.

Волна интереса к вирусам, поражающим бактерии (их называют бактериофагами), начавшаяся 1960-х годы вылилась во множество интересных применений в биологии, включая создание вирусных химер. Это искусственно сконструированные методами генной инженерии частицы.

В 1985 году американский биолог Джордж Смит, который занимался нитчатыми фагами, придумал новый тип вирусных химер. Это достижение привело в итоге к созданию фагового дисплея — тонкого универсального инструмента, позволяющего ученым найти антитело (белок, который выделяется иммунной системой для борьбы с патогенами) или молекулу с нужными свойствами.

"Фаговый дисплей — это технология, которая позволяет изучать гипотетические или сконструированные участки белковых молекул путем встраивания этих участков в фаговые белки. Когда вирус растет, на его поверхности выделяются эти встроенные участки.

Далее их можно изучать — добавлять разные антитела, лиганды (молекулы, которые соединяются с биологическим белком — прим. ред.), потенциально пригодные для лекарств, смотреть, как они связываются", — поясняет нам Алексей Данилкович, сотрудник лаборатории химии белка филиала Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова.

Благодаря генной инженерии вирус заставляют производить на своей поверхности чужеродные белки. Фаговый дисплей — это целая коллекция таких вирусов-химер.

"Он потому и называется дисплей. Очень много молекул, частиц разных фрагментов с разными аминокислотными последовательностями, так что вы не можете сразу сказать, где какая последовательность, но путем связывания меченного лиганда, вы можете вытащить нужное и изучать дальше. Понятно, почему за это дали Нобелевскую премию", — поясняет ученый.

По словам Данилковича, фаговый дисплей — инструмент изучения взаимодействия биологических структур и макромолекул — будущих лекарств.

"Моноклональные антитела, которые использую сейчас для лечения рассеянного склероза, получены с помощью такой технологии. Это так называемые очеловеченные антитела. Первичные молекулы для них были получены с использованием фагового дисплея, а потом модифицированы, чтобы напоминать человеческие и не отторгаться организмом".