Фото: mipt.ru.
Прорывы в диагностике болезней, создание новых материалов и расширение возможностей вычислительных систем – ученые московского Физтеха вместе с коллегами из других научных организаций разрабатывают технологии, которые делают жизнь лучше и интереснее.
Биосенсор поможет создать новые лекарства
Графен, за открытие которого физики Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию в 2010 году, делает возможным прорывы не только в электронике и оптике, но и в других областях. К примеру, связанные с графеном разработки способны совершить революцию в медицине.
На основе оксида графена исследователи из лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ создали сверхчувствительный биосенсор, позволяющий создавать новые лекарства от ВИЧ, гепатита, герпеса, рака и других болезней. Сенсоры способны обнаруживать крошечные концентрации – триллионные доли грамма – изучаемого вещества и исследовать его свойства в реальном времени. В лабораториях будущего с их помощью ученые смогут предсказывать действие того или иного медицинского препарата – для этого достаточно будет проследить, как лекарство или вакцина взаимодействует с живой тканью, прямо на биосенсоре.
Правда, до внедрения в клиническую практику исследователям и биотехнологическим предпринимателям еще предстоит упростить и испытать сенсоры. При массовом производстве себестоимость графенового биочипа не превысит $10, в то время как цены существующих аналогов достигают $200.
Ученые нашли способ увеличить частоту процессоров на два порядка
Одна из проблем, ограничивающая рост производительности компьютеров, смартфонов и других электронных устройств, – это потребление энергии их компонентами. Грубо говоря, чем мощнее процессор, тем больше его энергопотребление. На бытовом уровне это правило ощущается буквально на кончиках пальцев: мощные устройства склонны нагреваться и требуют дополнительного охлаждения.
Но, похоже, решение проблемы не за горами: ученые из МФТИ, Физико-технологического института РАН и Университета Тохоку (Япония) разработали новый тип транзистора на основе двухслойного графена, обладающего рекордно низким энергопотреблением по сравнению с существующими аналогами. Моделирование показало, что тактовая частота процессоров, использующих новые транзисторы, может вырасти на два порядка.
По расчетам авторов открытия, транзистор из графена способен менять силу тока в цепи в 35 тысяч раз при колебании напряжения всего 150 милливольт. «Это означает, что транзистор требует меньше энергии для переключения, меньше энергии требуют микросхемы, меньше выделяется тепла, нужны менее мощные системы охлаждения, а тактовую частоту можно повысить, не опасаясь, что избыточное тепло разрушит микросхему», – говорит заведующий Лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов и преподаватель кафедры общей физики МФТИ Дмитрий Свинцов.
Гидрогелевые биочипы помогут выявлять рак
Российские ученые из МФТИ, Института молекулярной биологии, Института биоорганической химии и других научных центров разработали биочип на основе гидрогеля, который позволяет диагностировать рак кишечника.
Разработанный исследователями трехмерный биочип представляет собой объемные ячейки из геля, внутри которого находятся реагенты, необходимые для выявления характерных для ракового заболевания веществ – аутоантител против онкоассоциированных гликанов, иммуноглобулинов и онкомаркеров. Испытания нового метода показали более высокую эффективность, чем у традиционных диагностических способов. Авторы работы рассчитывают на скорейшее внедрение разработки в клинических лабораториях.
Новый материал для фильтров
Российские ученые из Института теоретической и экспериментальной биофизики, МФТИ и Национального центра биозащиты и инфекционных болезней (США) создали практически идеальный фильтр: почти невесомая ткань из нейлоновых нановолокон толщиной не более 15 нанометров превосходит по фильтрующим и оптическим свойствам ранее испытанные аналоги. Новый материал пропускает больше света, чем оконные стекла, и задерживает не менее 98% частиц пыли в проходящем воздухе. Разработку можно использовать не только для фильтрации воды и воздуха, но и в биологических исследованиях: если через фильтр пропустить анализируемый воздух или воду, а потом положить его под микроскоп, то задержанные микроорганизмы будут отлично видны.
Высокоточный анализ крови в тест-полоске
Работающие в биотехнологическом секторе компании используют новые разработки, чтобы делать доступнее медицинские решения и в итоге делать жизнь лучше. К примеру, американская компания 23andme за $149 предлагает генетическое тестирование, определяющее, помимо прочего, предрасположенность к ряду заболеваний. В России тоже появляются разработки в этой области: исследователи из Института общей физики РАН и МФТИ создали биосенсорную тест-систему, основанную на применении магнитных наночастиц.
Система позволяет точно измерять концентрацию белковых молекул в различных образцах – например, с ее помощью можно выявлять маркеры заболеваний в крови. Разработка похожа на обычный тест на беременность: изучаемый образец нужно поместить на тест-полоску из пористого материала с двумя реакционными линиями. Активация одной или двух линий показывает результат тестирования, которое можно проводить даже в полевых условиях.
Принцип работы системы довольно прост: наносимые на полоску магнитные наночастицы связываются на молекулярном уровне с антителами к определенному белку. Изучаемая жидкость, распространяясь по полоске, захватывает наночастицы и встречает тестовую и контрольную линию. Тестовая линия содержит антитела, которые задерживают белок и магнитные метки, а контрольная – только магнитные метки, ее роль – показать, что тест пригоден к использованию. Система позволяет не только выявить наличие белка, но и определить его концентрацию более точно, чем в лаборатории. После внедрения в производство биосенсор позволит диагностировать болезни, проводить анализы пищевых продуктов и мониторинг окружающей среды.
Полная версия материала опубликована в Slon Magazine.