Друзья!
Из Сети
"...Чтобы управлять мелкими предметами — например, выщипывать брови или отделять зерна сорняков от гречневой крупы, — удобно использовать пинцет, способный механически захватывать и удерживать представляющие интерес объекты. К сожалению, перемещать обычным пинцетом объекты микронных размеров — живые клетки, белки и молекулы — нельзя: любая попытка захватить такой объект приведёт к его разрушению, и дальнейшие манипуляции потеряют смысл. С целью преодолеть это препятствие американский физик Артур Эшкин разработал оптический пинцет — устройство, которое с помощью лазерного пучка перемещает микроскопические объекты, сохраняя их внутреннюю структуру.
...Впервые градиентные силы были экспериментально открыты Артуром Эшкином в 1970 году. После этого физику понадобилось ещё 16 лет, чтобы отточить технологию и создать первый полноценный оптический пинцет, способный захватывать и перемещать
микроскопические частицы. В основном учёному мешали тепловые колебания атомов, которые он пытался захватить, и низкая мощность лазеров, доступных на тот момент. Ещё через год Эшкин, захватив с помощью оптического пинцета вирус табачной мозаики и бактерию Escherichia coli, показал, что его технологию можно использовать для изучения биологических объектов. Более того, уменьшая длину волны лазерного пучка, учёный добился того, чтобы бактерии сохраняли жизнеспособность и продолжали размножаться, будучи пойманными в оптическую ловушку.
Разработка Эшкина сыграла важную роль в исследовании многих биологических процессов, в частности молекулярных машин, за исследование которых Жан-Пьер Соваж, Фрейзер Стоддарт и Бернард Феринга в 2016 году получили Нобелевскую премию по химии. В том числе с помощью оптических пинцетов учёные увидели, как молекула кинезина «шагает» по поверхности образца, и измерили силу, с которой она способна тянуть объекты. Для этого исследователи прикрепляли конец молекулы к микроскопической сфере, подвешенной в оптической ловушке, и измеряли, как далеко молекула может «оттянуть» сферу от равновесного положения. Кроме того, с помощью оптических пинцетов биофизики научились собирать искусственные клетки в упорядоченные структуры и измерили вязкоупругие свойства биополимеров.
Измерение силы тяги «молекулярной машины» с помощью оптического пинцета / Nobel Prize
Сотрудник лаборатории 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ Дмитрий Чубич так прокомментировал разработку Артура Эшкина: «Оптические пинцеты активно используется в биологии — для этого нужно подобрать длину волны лазера так, чтобы частица его не поглощала, то есть не нагревалась. В этом случае вы можете перемещать, например, живую клетку или органеллы в клетке в произвольном направлении, причём клетка не разрушается, остаётся целой и жизнеспособной. Более того, её можно разместить там, где вам нужно, с точностью до нескольких сотен нанометров — в зависимости от длины волны лазера».
Заведующий отделом лазерной плазмы Объединённого института высоких температур (ОИВТ) РАН Михаил Агранат рассказал об одном из таких проектов. По его словам, его сотрудники совместно с коллегами из МГУ разработали комбинированную установку, объединяющую в себе лазерный скальпель и пинцет. С помощью этой установки учёные смогли разрезать оболочку зародыша на ранних стадиях деления и извлечь с помощью пинцета полярное тельце, изучение которого позволяет судить о состоянии эмбриона, в частности, о генетических отклонениях. Кроме того, световые инструменты позволяют экспериментировать с клеточными сфероидами.
Разумеется, оптические пинцеты применяются не только в биофизике, но и в других областях науки. Например, с их помощью можно управлять отдельными атомами — в марте этого года австралийские физики измерили с точностью до сотых долей аттоньютона силу, действующую на отдельный атом, а в апреле американские исследователи впервые провели химическую реакцию между отдельными атомами щелочных металлов. Более того, разработка Эшкина имеет и прикладные применения — например, в январе этого года американские инженеры получили с помощью оптического пинцета цветное трёхмерное изображение, напоминающее голограммы из научно-фантастических фильмов.
Интересно, что Стивен Чу (Steven Chu) — один из соавторов работы 1986 года, в которой впервые были описаны оптические пинцеты — получил Нобелевскую премию по физике ещё в 1997 году. В отличие от Эшкина, сосредоточившегося на применении оптических пинцетов в биофизике, Чу адаптировал эту технологию для охлаждения нейтральных атомов до сверхнизких температур, что в конечном счёте позволило физикам получить на практике конденсаты Бозе — Эйнштейна. В ряде интервью Чу отмечал вклад Эшкина в разработку технологии; теперь этот вклад признан официально. Кроме того, стоит отметить, что 2 сентября Артуру Эшкину исполнилось 96 лет — это делает его самым старым лауреатом Нобелевской премии в истории.
Сжатый и усиленный свет
Разработка других лауреатов — Жерара Муру и Донны Стрикленд также связана с лазерными пучками и также позволяет исследовать процессы на уровне элементарных частиц.
Первые лазеры — оптические квантовые генераторы, которые позволяют получать когерентные, монохроматические, поляризованные и узконаправленные импульсы электромагнитного излучения — были построены в начале 1960-х годов. С помощью таких импульсов очень удобно исследовать внутреннюю структуру веществ и наблюдать за происходящими в них процессами — например, «увидеть», как разбегаются электроны по диэлектрику. Для этого нужно посветить лазером на вещество и измерить его реакцию. Чем больше мощность лазерной вспышки, тем сильнее вещество «откликается» на её воздействие. С другой стороны, чем дольше вспышка длится во времени, тем сложнее отделить «отклик» образца на первоначальное воздействие. Поэтому на протяжении всей истории изучения лазеров физики старались увеличить мощность лазерного импульса и уменьшить его продолжительность. Для этого физики использовали всё более и более мощные усилители, которые заставляли лазер генерировать больше фотонов.
В середине 1980-х годов исследователи научились получать настолько мощные и короткие лазерные импульсы, что вещество усилителя не выдерживало и установка разрушалась. Казалось, физика зашла в тупик. К счастью, Жерар Муру и Донна Стрикленд практически сразу решили эту проблему, разработав в 1985 году технику чирпированного усиления импульсов (Chirped pulse amplification, CPA). По сути своей эта техника довольно проста.
На первом шаге учёные увеличивают ширину спектра лазерного импульса — «растягивают его во времени» — с помощью дисперсионной оптической системы (пары призм). Затем импульс усиливается стандартными методами; благодаря «растянутости» импульса его пиковая энергия уменьшается, а потому установка не разрушается. Наконец, на последнем шаге импульс снова «сжимают» с помощью дифракционных решеток. В итоге мощность чирпированного импульса может достигать 1 015 ватт при продолжительности порядка одной фемтосекунды (10-15 секунд).
В настоящее время чирпированное усиление — это основной способ получения сверхмощных лазерных импульсов.
Техника усиления чирпированных импульсов / Nobel Prize
Фемтосекундные лазеры, которые придумали Муру и Стрикленд, сейчас вовсю используются в индустрии; в принципе, их можно свободно купить за разумные деньги. Это не какая-то диковинная вещь, как, например, графен, который до сих пор нельзя приобрести в магазине. Такие лазеры есть практически в любом университете — везде, где люди занимаются оптикой.
Причина такой популярности проста: с помощью фемтосекундных лазеров можно поставить много важных опытов и исследовать физические процессы с очень высоким разрешением по времени. Например, сфотографировать процесс фотоэлектронной эмиссии и проследить за отрывом электрона от атома водорода, увеличить скорость химической реакции и «надуть» графеновый лист.
В настоящее время «скорострельность» камер, использующих чирпированные импульсы, превышает триллион кадров в секунду.
Зависимость максимальной мощности лазерных импульсов от времени: крайняя левая точка отвечает первому в истории лазеру, точка CPA — первому лазеру, основанному на усилении чирпированных импульсов / Nobel Prize
Сотрудник Института автоматики и процессов управления ДВО РАН Олег Витрик так отзывается о чирпированных импульсах: «Мы применяем их, как правило, для исследования структуры вещества. Если импульс длится долго, то первый фронт импульса запускает какой-то отклик в веществе, а следующие за ним могут этот отклик нивелировать. Чирпированный импульс, напротив, создаёт отклик, наиболее чистый с физической точки зрения. С его помощью мы исследуем различные плазмонные структуры на поверхности вещества. Эти структуры могут работать как антенны, то есть преобразовывать излучение на этих структурах.
Таким образом, мы можем трансформировать, грубо говоря, макромир, порядка длины волны, на гораздо более мелкие масштабы. Например, усилить сигналы фотолюминесценции или сигналы комбинационного рассеивания света, изготовить метаматериалы и супергидрофобные поверхности, провести сверхчувствительный химический анализ и колорировать металл, то есть придать ему цвет не с помощью краски, а с помощью плазмонных эффектов».
Кроме того, фемтосекундные лазеры позволяют нагревать вещество до очень высокой температуры, превышающей температуру на поверхности Солнца. Сергей Макаров рассказывает: «Недавно, лет 78 назад, был бум вокруг термоядерного синтеза, который поджигали при помощи фемтосекундных лазеров. Дело в том, что мощность — это количество энергии в единицу времени. Соответственно, если мы сжимаем энергию лазерного пучка в одну фемтосекунду, — в очень короткий промежуток времени, — то мы получаем очень высокую мощность, сравнимую с мощностью всех электростанций мира. Если мы дальше хорошо сфокусируем этот импульс — линзой или объективом, то он позволит нагреть материал до 10 тысяч градусов. Ну, до колоссальных температур. И тогда уже открывается новая физика — и фундаментальная, и линейная. Например, если сфокусировать такие импульсы в вакууме, можно увидеть так называемое кипячение вакуума, то есть рождение электрон-позитронных пар или других элементарных частиц».
«Также высокая мощность ультракоротких импульсов позволяет создавать компактные ускорители частиц — например, установка, занимающая 30 квадратных метров, может выдавать частицы с энергией в одну десятую энергии Большого адронного коллайдера», — говорит сотрудник Института теоретической физики имени Ландау Наиль Иногамов.
Наконец, фемтосекундные лазеры широко распространены в медицине — в частности, они используются для сверления зубов или лазерной корректировки зрения. Чем меньше продолжительность лазерного импульса, тем точнее можно ограничить область, в которой высвобождается его энергия — следовательно, с помощью фемтосекундных лазеров можно делать точные разрезы, которые слабо повреждают окружающие ткани.
https://lifehacker.ru/topics/work/education/
...Други!
Сталь и свет! Грубое и тонкое, тончайшее.От низшего к Высшему- это путь всего сущего во Вселенной.Бог есть Огонь-Свет (Фаворский).
Фаворский свет — согласно текстам Нового Завета, таинственный Божественный свет в момент Преображения Иисуса Христа, описанного в евангельских текстах (Мф. 17:2 и
др.)
Фаворский свет описан во всех синоптических евангелиях:
; «и преобразился пред ними: и просияло лице Его, как солнце, одежды же Его сделались белыми, как свет.» (Мф. 17:2)
; «Одежды Его сделались блистающими, весьма белыми, как снег, как на земле белильщик не может выбелить.» (Мк. 9:3)
; «И когда молился, вид лица Его изменился, и одежда Его сделалась белою, блистающею.» (Лк. 9:29).
Суть учения о благодати в Православной Церкви следующая: Бог — это не только божественная сущность, но и божественная энергия сущности; по А.Ф.Лосеву (русский философ):
1. Свет Фаворский не есть ни сущность Божия, ни тварь, но энергия сущности.
2. Энергия сущности нераздельна с сущностью и неслиянна с нею.
3. Энергия сущности нетварна.
4. Энергия сущности не вносит разделения в самую сущность и не нарушает её простоты.
5. Имя „Божество“ относится не только к сущности Божией, но и к энергии, то есть энергия Божия тоже есть сам Бог".https://ru.wikipedia.org/wiki/
Согласно "Агни-Йоге", Духоматерия есть единый элемент во Вселенной.
...И он вплетается друг в друга,
Порознь им жить нельзя.
Доказательство- вода, лёд, пар.
Плотная, тонкая материя и дух над ними.
Без духа нет материи, как без материи нет духа.
Дух раскрывает свой потенциал и копит разум
Через проявление формы.
Человек без духа есть ничто,
Мы воплотились в эту жизнь дух свой укреплять.
И это наша главная задача.
Халида Шариф
https://stihi.ru/
...Полностью согласен с поэтессой!
Вл.Назаров
******************
1.Физики спутали отдельные молекулы,
что стало вехой в развитии квантовых вычислений
Запутывание отдельных молекул, впервые в мире осуществленное физиками Принстона, несомненно, является шагом на пути к созданию долгожданных квантовых компьютеров для потребителей. Этот метод, позволяющий связывать отдельные молекулы на больших расстояниях, открывает недостижимые до сих пор возможности для квантовых вычислений и моделирования сложных материалов. До сих пор удавалось спутать только атомы или группы атомов.
Квантовая запутанность — это явление, при котором две частицы (или группы частиц) связаны между собой таким образом, что квантовое состояние одной из них мгновенно влияет на квантовое состояние другой, независимо от расстояния, разделяющего их. Эта особенность, которую Эйнштейн сначала считал нереальной, теперь признана фундаментальным принципом квантовой физики. Лоуренс Чук из Принстонского университета и его коллеги подчеркнули важность этого явления в новой работе, опубликованной в журнале Science.
В статье объясняется, что сложные молекулы, способные взаимодействовать одновременно, даже будучи разделенными световыми годами, представляют собой значительное достижение. Способность к дистанционному взаимодействию молекул открывает двери для революционных практических приложений, в частности, для создания более мощных квантовых компьютеров и точного моделирования сложных материалов, которые ранее были недоступны для традиционных технологий.
Принцип молекулярной запутанности
Молекулы, в отличие от атомов, имеют сложную структуру и, следовательно, больше степеней свободы в квантовом контексте. Это означает, что они могут существовать в большем количестве различных квантовых состояний. Юкай Лу, соавтор исследования, отмечает, что "эта молекулярная сложность позволяет использовать инновационные методы для хранения и обработки квантовой информации".
Молекулы обладают способностью вибрировать и вращаться в нескольких различных режимах. Каждый из этих режимов может быть использован для представления различных квантовых состояний с помощью квантовых битов (кубитов) -фундаментальных единиц информации в квантовом компьютере. Такая универсальность открывает множество конфигураций для кодирования информации, что намного превосходит возможности, предлагаемые только атомами.
Это уникальное свойство молекул делает их особенно подходящими для таких приложений, как моделирование сложных материалов. При таком моделировании очень важна возможность точного моделирования взаимодействий между несколькими квантовыми состояниями. Молекулы могут более точно имитировать сложное поведение реальных материалов, что позволяет ученым лучше понять и предсказать их свойства.
Овладеть неконтролируемым: задача для молекул
Несмотря на все свои преимущества, молекулами, как известно, трудно управлять из-за их сложности. Поэтому авторы использовали "оптический пинцет". Эти устройства используют высокофокусированные лазерные лучи для захвата и управления сверхмалыми частицами, такими как молекулы. Принцип действия оптического пинцета основан на давлении излучения — силе/давлении, оказываемом светом на физические объекты. Настраивая свойства лазерного луча, такие как его интенсивность и фокусировка, ученые могут точно позиционировать и удерживать отдельные молекулы на месте.
Использование оптического пинцета для охлаждения молекул до сверхнизких температур очень важно, поскольку при таких температурах молекулы меньше подвержены возмущениям со стороны окружающей тепловой энергии. Это позволяет исследователям помещать их в особые квантовые состояния, необходимые для экспериментов по запутыванию.
Кроме того, исследователи используют микроволновые импульсы, чтобы вызвать контролируемые взаимодействия между молекулами. Воздействуя на молекулы в ловушке, микроволны изменяют их квантовые состояния когерентным и контролируемым образом. Такая когерентность необходима для запутывания, поскольку она обеспечивает предсказуемую и повторяющуюся связь квантовых состояний молекул.
На пути к практическому применению
Запутанность, достигаемая с помощью этого метода, является фундаментальным элементом для развития квантовых вычислений и моделирования сложных материалов. Квантовые компьютеры на основе молекул будут обладать уникальными характеристиками по сравнению с компьютерами, использующими традиционные кубиты, такие как ионы или фотоны.
В обычном компьютере биты работают по двоичной системе (0 и 1). В квантовых вычислениях кубиты — это единицы информации, которые могут существовать в суперпозиции |0) и |1) квантовых состояний. С другой стороны, кубиты — это единицы квантовой информации, которые могут существовать в суперпозиции трех ортогональных квантовых состояний, часто обозначаемых |0), |1) и |2). Возможность оперировать тремя квантовыми состояниями, а не двумя, обеспечивает большую сложность и гибкость в обработке квантовой информации по сравнению с кубитами.
Для моделирования сложных материалов это свойство особенно выгодно. Молекулы с их квантовыми состояниями могут лучше имитировать сложные взаимодействия и энергетические состояния, которые происходят в реальных материалах. Это позволяет ученым моделировать явления, которые было бы крайне сложно, а то и невозможно, смоделировать с помощью кубитов.
Кроме того, способность молекул моделировать фундаментальные силы в физике открывает захватывающие перспективы. Кубиты могут позволить моделировать более сложные квантовые взаимодействия, такие как те, что участвуют в сильных и слабых ядерных силах, или в явлениях, которые еще плохо изучены, таких, как высокотемпературная сверхпроводимость.
Ханна Уильямс, физик из Даремского университета, подчеркивает важность этих достижений в статье, опубликованной в журнале Nature. Она отмечает, что быстрые темпы прогресса в использовании молекул для квантового моделирования указывают на то, что этот подход вскоре может стать предпочтительной платформой в данной области. Молекулы предлагают гибкость и возможности моделирования, которые могут превзойти существующие квантовые платформы, что позволит исследовать области физики и химии, которые ранее были недоступны.
https://new-science.ru/category/news/
******************
2.Расширение возможностей CRISPR
Последние достижения в области технологии редактирования генов CRISPR, ставшие результатом сотрудничества Массачусетского технологического института и Университета Дьюка, позволили расширить сферу применения этого инструмента практически на все гены человека, причем с еще большей точностью. Этот прогресс, позволяющий изменять ранее недоступные гены, открывает путь к настоящей генетической медицине и персонализированной терапии.
CRISPR-Cas9 наиболее известен как лабораторный инструмент для манипуляций с ДНК, но его естественная функция — часть иммунной системы. В частности, он позволяет бактериям использовать молекулы РНК и белки, связанные с CRISPR (Cas), для нацеливания и разрушения ДНК вторгающихся вирусов. После его открытия ученые поспешили разработать целый арсенал новых CRISPR-систем для генной терапии и геномной инженерии.
Недавно исследователи из Университета Дьюка и Массачусетского технологического института сделали следующий шаг, разработав варианты CRISPR, способные воздействовать на более широкий спектр генетических последовательностей. Эта разработка обещает значительно расширить горизонты лечения генетических заболеваний,
таких как синдром Ретта и болезнь Хантингтона, генной терапии в широком смысле слова и персонализированной медицины.
Подробности опубликованы в журнале Nature Communications.
Инженеры из Университета Дьюка и Массачусетского технологического института под руководством Пранама Чаттерджи сделали важнейший шаг в развитии технологии CRISPR. Теперь их прорыв обещает стать мишенью для подавляющего большинства геномов человека. Ранее системы CRISPR были ограничены модификацией только 12,5 % генов из-за специфических ограничений, связанных с распознаванием последовательностей ДНК.
Действительно, авторы объясняют в пресс-релизе, что для внесения модификаций в геном белка Cas используют как молекулу РНК, которая направляет фермент к целевой последовательности ДНК, так и PAM (короткую последовательность ДНК, которая следует сразу за целевую последовательность ДНК и необходима для связывания белка Cas).
Как только направляющая РНК находит комплементарную ей последовательность ДНК, а фермент Cas связывается с соседним PAM, фермент, подобно ножницам, разрезает ДНК, вызывая нужные изменения в геноме. Наиболее распространенной системой CRISPR-Cas является Cas9 из бактерии Streptococcus pyogenes (SpCas9), которая требует последовательности PAM из двух последовательных оснований гуанина (GG).
В своем предыдущем исследовании Чаттерджи и его команда использовали инструменты биоинформатики для выявления и разработки новых вариантов белка Cas9, в том числе Sc++, которому для осуществления разреза требуется только один гуанин в последовательности PAM. Это новшество позволило увеличить возможности редактирования примерно до 50 % последовательностей ДНК.
Для Sc++ требуется только один гуанин.
Тем временем команда из Гарварда под руководством Бенджамина Кляйнстивера, доцента Гарвардской медицинской школы, разработала другой вариант, названный SpRY. SpRY способен связываться с каждым из четырех оснований ДНК, входящих в состав PAM, отдавая предпочтение аденину и гуанину.
Столкнувшись с ограничениями этих двух систем, исследователи из Дьюка и Массачусетского технологического института объединили свои силы, чтобы создать новый вариант, названный SpRYc. Чаттерджи отметил в пресс-релизе, что SpRYc позволяет нацеливаться практически на весь геном с большей точностью.
Хотя SpRYc медленнее, чем его предшественники, разрезает целевые последовательности ДНК, в испытаниях он показал себя лучше традиционных ферментов в модификации конкретных участков ДНК. Несмотря на широкую сферу применения, SpRYc также продемонстрировал более высокую точность, чем SpRY.
Новый вариант Cas9 SpRYc, сочетающий Sc++ (красный) и SpRY (синий).
На пути к новым генным терапиям
Благодаря способности воздействовать на участки генома человека, ранее недоступные для редактирования генома, SpRYc открывает многообещающие терапевтические перспективы для таких сложных и трудноизлечимых заболеваний, как синдром Ретта и болезнь Хантингтона. Эти заболевания, характеризующиеся специфическими генетическими мутациями, могут получить индивидуальное лечение благодаря целенаправленному применению SpRYc. Такой подход может не только исправить мутации, вызывающие эти заболевания, но и потенциально обратить вспять некоторые из их разрушительных последствий, давая новую надежду пациентам и их семьям.
Помимо непосредственного применения, расширение возможностей CRISPR открывает путь к революции в области геномной медицины. Исследователи и врачи могут рассчитывать на лечение гораздо более широкого спектра генетических заболеваний, включая те, которые до сих пор считались неизлечимыми.
Этот прогресс также может стимулировать исследования в таких областях, как биология старения, устойчивость к заболеваниям и регенерация тканей. Кроме того, повышение точности и гибкости редактирования генома открывает возможности для более безопасных и эффективных вмешательств, снижая риск нежелательных генетических модификаций. В долгосрочной перспективе эти достижения могут привести к улучшению понимания и лечения.
https://new-science.ru/category/news/
*****************
Материалы из Сети подготовил Вл.Назаров
Нефтеюганск
9 декабря 2023 года.