Материаловедение будущего: как хиральность совершит технологический прорыв 0:08
Технологии стремительно развиваются, однако фундаментальные материалы остаются «бутылочным горлышком» для инноваций. Физик Джесс Уэйд (Jess Wade) из Имперского колледжа Лондона в рамках лекции в The Royal Institution объясняет, как манипуляции на молекулярном уровне — в частности, использование принципа хиральности — могут изменить будущее электроники, квантовых вычислений и экологичных технологий.
🛠 От громоздких компьютеров к «умным» материалам 0:20
За последние 50 лет технологии проделали путь от комнат, заполненных вычислительными машинами, до смартфонов, умещающихся в кармане. Однако, по мнению Джесс Уэйд, развитие аппаратного обеспечения сталкивается с рядом ограничений:
- Стагнация технологий: Солнечные панели по своей структуре мало изменились с момента их разработки в Bell Labs в 1950-х годах.
- Дефицит ресурсов: Критически важные для полупроводников элементы редки, а их добыча зачастую сопряжена с экологическими и геополитическими рисками.
- Энергопотребление: Бум больших языковых моделей и AI привел к появлению дата-центров с колоссальными затратами энергии — ожидается, что их потребление вырастет на 50% в ближайшие 10 лет.
- Сложности квантовых вычислений: Необходимость охлаждения сверхпроводниковых кубитов до температур, близких к абсолютному нулю, требует огромных энергетических затрат.
Джесс Уэйд утверждает, что решение кроется в химии: проектируя молекулы с заданными свойствами, ученые могут создавать материалы для оптоэлектроники, спинтроники и квантовых технологий, которые будут эффективнее и экологичнее.
🧪 Удивительный мир углерода и молекулярный дизайн 9:58
Особое место в работе материаловедов занимает углерод — элемент с четырьмя электронами во внешней оболочке, способный образовывать множество стабильных аллотропов с разными свойствами: от алмаза и графита до фуллеренов и графена.
Джесс Уэйд подчеркивает вклад Милли Дресселхаус (Millie Dresselhaus), которую называют «королевой углерода». Будучи первой женщиной-профессором в MIT, она предсказала свойства многих углеродных наноматериалов, заложив основы современного молекулярного инжиниринга.
Ключевым прорывом в этой области стало изучение бензола, структуру которого помогла расшифровать Кэтлин Лонсдейл (Kathleen Lonsdale) с помощью рентгеновской дифракции. Этот метод позволил ученым точно определять расположение атомов внутри кристаллов. Позже эти работы вдохновили Дороти Ходжкин (Dorothy Hodgkin), ставшую первой британской женщиной — лауреатом Нобелевской премии по науке за расшифровку структур пенициллина и инсулина.
Конъюгированные полимеры на основе бензольных колец обладают уникальными свойствами:
- Полупроводниковая проводимость: За счет делокализованных электронов эти «пластиковые» материалы способны проводить электричество.
- Люминесценция: На основе таких полимеров создаются OLED-дисплеи, которые легче, гибче и энергоэффективнее неорганических аналогов.
🧬 Хиральность: геометрия жизни и технологий 23:18
Джесс Уэйд специализируется на явлении хиральности. Хиральные объекты представляют собой пару зеркальных отображений, которые невозможно совместить, подобно левой и правой руке.
Природа активно использует этот принцип:
- Биология: ДНК и белки имеют хиральную структуру. Рецепторы в носу человека также хиральны, поэтому разные изомеры одной молекулы (например, карвона) могут пахнуть как мята или как тмин.
- Оптика: Некоторые жуки имеют хиральную структуру панциря, отражающую циркулярно поляризованный свет, что создает эффект иризации.
В технологиях хиральность позволяет контролировать спин электронов и фотонов. Группа Уэйд использует молекулы-гелицены, чтобы создавать «скрученный» свет.
Применение в современных гаджетах:
- Повышение яркости дисплеев: Антибликовые фильтры в смартфонах часто блокируют до половины света, так как обычные пиксели излучают свет, не имеющий хиральности. Создание пикселей, излучающих «скрученный» свет, позволит радикально повысить эффективность OLED-панелей.
- Передача данных: Использование хиральных каналов позволяет мультиплексировать информацию и повышать скорость передачи данных по оптоволокну.
- Магнитометрия: Использование эффекта Фарадея позволяет с помощью света обнаруживать дефекты в конструкциях (например, в крыльях самолетов) или фиксировать слабые магнитные поля, связанные с активностью мозга.
🎨 Искусство, наука и просвещение 47:18
Джесс Уэйд убеждена, что для развития инноваций необходимо стирать границы между «гуманитарным» и «техническим» образованием. Она подчеркивает, что такие великие инженеры прошлого, как Филиппо Брунеллески (создатель купола собора во Флоренции), или художница Артемизия Джентилески, тесно сотрудничавшая с Галилеем, обладали синтетическим мышлением.
Своей миссией Уэйд считает популяризацию науки через:
- Wikipedia: Активное редактирование и создание статей для обеспечения доступности знаний.
- Детские книги: Написание произведений (например, Nano и Light), рассказывающих о материаловедении доступным языком.
- Работа с правительством: Обучение государственных служащих основам квантовых технологий для принятия более эффективных стратегических решений.
