Научные итоги года в Красноярске: цифры, люди, открытия

Ученый и популяризатор науки Егор Задереев подводит традиционные научные итоги года в Красноярске.

Премии года

Для анализа я использую базу данных научных публикаций Web of Science — самый строгий и признанный во всём мире фильтр качества. Конечно, значимость конкретного результата для мировой науки и общества покажет только время, слабые исследования тоже могут просочиться в признанные мировым сообществом журналы, но лучше ориентироваться хоть на какие-то стандарты качества, чем не иметь их вообще. И как показал 2016 год, красноярские ученые эти стандарты усвоили и успешно применяют — в этом году в Красноярске все девять ярдов.

Молодой ученый из Красноярского научного центра СО РАН Максим Молокеев признан одним из трех самых влиятельных физиков страны. Сибирский федеральный университет стал самым цитируемым среди российских университетов. Две этих награды — для российских ученых и организаций, чьи работы, согласно Web of Science, цитируются чаще всего.

Максим Молокеев, фото: kirensky.ru

Для завершения картины биолог Олеся Махутова из Красноярского научного центра СО РАН получила национальную премию L'Oreal-UNESCO «Для женщин в науке». «Женская» премия тоже во многом основана на формальных показателях — количестве научных публикаций и их цитируемости в других научных статьях.

Слова и фамилии года

С премиями в этом году всё хорошо, а что же с результатами? На сегодня в базе данных почти шестьсот статей с участием красноярских ученых, их индексирование на этот год продолжится до мая 2017-го, так что часть хороших результатов мы могли упустить.

Для начала воспользуемся популярным сервисом «облако слов» и посмотрим облака для фамилий авторов публикаций и ключевых слов, характеризующих область исследования наших ученых.

Среди фамилий выделяется Максим Молокеев: не зря его назвали одним из самых активных физиков в России — в Красноярске он точно среди первых. Всего в облако попали 107 ученых, чьи имена встречаются среди авторов статей больше 6 раз. Для тех, кто знает ландшафт местной науки — в облаке в основном физики с вкраплениями биологов, биофизиков и математиков.

Облако фамилий красноярских ученых, построенное по научным статьям 2016 года

Облако ключевых слов тоже в основном «физическое»: 77 терминов, которые встречаются десять и больше раз. Идеальный заголовок статьи красноярских ученых на основе этих терминов будет выглядеть примерно так: «Температурные свойства магнитных наночастиц в углеродном кристалле». Желающие могут придумать свою версию.

Облако ключевых слов к статьям красноярских ученых, опубликованным в 2016 году

Результаты года

Из года в год я выбираю лучшие научные статьи года, исходя из крутости журнала (в науке есть и такой показатель), вклада красноярских авторов и моих собственных предпочтений. Строго говоря, в число самых важных статей должны были бы войти две публикации про лес: одна в журнале Science, вторая — Nature Geoscience.

В первой большой коллектив ученых при участии красноярцев обнаружил связь между биоразнообразием леса и его продуктивностью и оценил в деньгах выгоды от природоохранной деятельности.

Во второй международная команда ученых при участии красноярцев обнаружила еще один ледниковый период, случившийся в Европе полторы тысячи лет назад. Оба результата уже получили свое внимание, поэтому мы их вспомним, но вдаваться в подробности не будем.

Гастрит и рак желудка

Начнем с медицины. Владислав Цуканов из Института медицинских проблем севера ФИЦ КНЦ СО РАН в составе международного коллектива ученых стал соавтором обзорной статьи по проблемам рака желудка. Статья вышла в научном журнале с незамысловатым названием GUT (Желудок). Название простое, а сам журнал вполне научный и престижный.

В обзорной публикации авторы обсуждают, что нового узнала наука за последние тридцать пять лет о раке желудка. Вывод примерно следующий: гастрит и бактерии вида Хеликобактер пилори (Helicobacter pylori) — основные причины развития рака желудка. Многие формы гастрита, причина которых раньше была неизвестна, сейчас связывают с наличием этих бактерий — соответственно, их научились лечить. В статье ученые ставят вопрос о национальных программах искоренения этих бактерий и победы над раком желудка. Такие программы должны быть внедрены в системы национального здравоохранения.

Светящиеся вещества для светодиодных светильников

От медицины к физике. Максим Молокеев стал не только одним из самых цитируемых физиков России — в этом году он опубликовал сразу несколько статей в высокорейтинговых журналах.

На мой вопрос о самой значимой он выбрал статью в журнале Американского химического общества (Journal of the American Chemical Society). Как и многие работы с его участием, эта статья про люминофорные — светящиеся — вещества.

Сейчас будет сложно. Сначала физики вырастили в лаборатории серию минералов джервисита, в состав которых входили в разных соотношениях натрий, скандий, магний и кальций. Для того, чтобы минерал приобрел способность к свечению, в его состав добавили химический элемент европий. Европий может испускать свет разной длины волны (разного цвета) в зависимости от того, какими заряженными атомами и как именно окружен в минерале.

Когда физики стали изучать свечение полученных кристаллов, то обнаружили, что они испускают два цвета — синий и желтый, будто европий попадет в своеобразный карман из других атомов: либо из кальция и магния, либо из натрия и скандия.

Кристалл джервисита, фото: wikimedia.org

В минералах с разным содержанием этих элементов соотношение интенсивностей цветов изменяется линейно, как будто мы плавно поворачиваем какой-то регулятор. То есть все факты указывают на то, что образцы являются простой смесью двух составов — минерала либо на основе натрия и скандия, либо на основе кальция и магния.

А теперь вишенка на торте. Рентгеноструктурный анализ полученных веществ показал удивительную вещь: все образцы являлись однородными, разделение происходило лишь на наноуровне внутри кристалла (наносегрегация). Собственно говоря, благодаря этому и получаются те самые карманы для европия.

Изменяя соотношение элементов в таком веществе, можно очень точно прогнозировать получаемый цвет. Однофазность (однородность) материала дает огромное преимущество перед неоднородными материалами, так как в таких веществах нет лишних дефектов, на которых происходит трата энергии. Эти вещества нужны для разработки экономичных светодиодных ламп, излучающих широким спектром — идеальным белым светом. 

«Я считаю, что речь идет о появлении нового направления исследований, — поясняет Максим Молокеев. — Сейчас все начнут искать материалы с аналогичными свойствами в образцах с наносегрегацией (образованием несмешиваемых пар или групп элементов). Обычные люминофорные материалы не обладают такими свойствами и не позволяют получить чистый белый цвет. Вещество, открытое нами, дает такую возможность».

Синхронный рост леса в Евразии

Используя толщину и форму древесных колец, ученые определяют, как их рост зависит от климата. Фото: allianz.com

С физикой было нелегко — вернемся к живой природе, в лес. Александр Кирдянов из Института леса имени В. Н. Сукачева ФИЦ КНЦ СО РАН второй год подряд попадает в рейтинг лучших публикаций года. В статье про ледниковый период он тоже принимал участие, но мы для итогов года взяли другой результат — статью международного коллектива соавторов о том, как леса в Испании и Сибири реагируют на изменение климата.

Месседж у статьи простой: если раньше из-за локальных неоднородностей погоды наблюдались большие вариации в развитии леса на разных территориях, то сейчас в ответ на изменение климата лес растет всё более синхронно. Развитие леса обычно оценивают по ширине годовых колец — каждый год с началом весны начинается активный период роста, и нарастает новое кольцо. В зависимости от погодных условий в текущем году оно может быть разной ширины. 

Синхронность для Сибири проявляется в следующем. С одной стороны, из-за роста температур деревья начинают дружно расти весной раньше, чем это было несколько десятков лет назад. С другой — климатические аномалии приводят к тому, что активность роста (ширина колец) в разные годы на больших территориях меняется сходным образом. Если представить развитие леса на огромной территории как набор меняющихся во времени колец разной ширины, то получается, что раньше кольца пульсировали более-менее хаотично, а сейчас мерцают в унисон.
.

Потери воды из ранней атмосферы Венеры

Атмосфера Венеры, фото: wikimedia.org

Ежегодно мы в Красноярске узнаем что-то новое про эволюцию атмосферы далеких планет благодаря Николаю Еркаеву из Института вычислительного моделирования ФИЦ КНЦ СО РАН. В этом году международная команда астрофизиков с его участием взялась за Венеру.

Немного физических расчетов для оценки того, как рентгеновское и ультрафиолетовое излучения от Солнца «выбивали» водород из атмосферы Венеры — результаты исследования были опубликованы в Journal of Geophysical Research-Space Physics. 

Несколько миллиардов лет назад Солнце было активной звездой, а Венера — молодой планетой. На ранней стадии формирования планеты из газопылевого облака она почти всегда содержит первичную атмосферу из водорода. Для того, чтобы сформировалась вторичная атмосфера — например, такая, при которой возможна жизнь типа земной, — планета должна сбросить первичную водородную оболочку. Это естественный процесс: заряженные частицы, которые летят от Солнца, сталкиваются с атомами водорода в атмосфере планеты и отправляют их в открытый космос.

Николай Еркаев, фото: страница в «Фейсбуке»

Исследуя эти процессы для ранней Венеры, ученые обнаружили интересный эффект. Некоторые из улетающих атомов водорода встречаются с заряженными частицами солнечного ветра, обмениваются с ними зарядом и летят обратно. Таких атомов немного, но они приобретают огромную энергию. В результате они разогревают атмосферу и способствуют еще большим потерям водорода.

«Исследования процессов быстрой потери первичной водородной атмосферы сейчас важны для экзопланет (планеты не в Солнечной системе, а у других звезд). Каждый год ученые открывают всё новые экзопланеты, и упор идет на поиск обитаемых. Так как эти планеты находятся очень далеко, то мы можем наблюдать и измерять ограниченное количество параметров. Поток водорода из атмосферы планеты виден как свечение — корона — и его можно измерить. По короне можно судить об интенсивности процесса потери атмосферы и, возможно, сделать прогноз о будущем планеты: станет она потенциально обитаемой или нет. Венера хоть и потеряла первичную атмосферу, но обитаемой не стала», — рассказал о приложении результатов этой работы в астрофизических исследованиях Николай Еркаев.

Транспорт растворов через мембраны

Следующая статья года тоже теоретическая. Илья Рыжков из Института вычислительного моделирования ФИЦ КНЦ СО РАН и Андрей Минаков из Сибирского федерального университета засветились в ведущем для своей области исследовании Journal of Membrane Science.

Мембрана — это барьер, который одно вещество пропускает, а другое — нет. В живом организме у каждой клетки есть мембрана, через которую происходит транспорт питательных и других веществ. Илья с Андреем исследовали мембраны с нанопорами радиусом от 1 до 10 нанометров. Их интересовало, как можно добиться селективной фильтрации: пропуска через поры одних заряженных частиц и задержания других.

Вообще принцип создания селективной мембраны простой: если ее стенки будут заряжены, то она будет отталкивать соединения с таким же зарядом и пропускать — с противоположным. Но, как говорится, есть нюансы. 

Промышленная ультрафильтрационная мембрана. Изображение получено с помощью сканирующего электронного микроскопа. Фото: nethouse.ru

В статье рассмотрено несколько вариантов создания селективной мембраны. На поверхности пор можно либо формировать постоянный заряд, либо задавать постоянный потенциал (если стенки пор являются проводящими). Расчеты показывают, как изменяется проницаемость и селективность мембраны при различных значениях таких внешних параметров, как потенциал или разность давлений.

«Селективные мембраны можно использовать для опреснения воды, они задерживают соль и пропускают чистую воду. Но это существующая технология — у таких мембран селективность постоянная. А можно сделать мембраны с регулируемой селективностью и использовать их для разработки различных сенсоров, например, в биологии или медицине. Если мы научимся управлять селективностью мембраны, допустим, плавно изменяя потенциал на проводящей поверхности пор, то получим возможность настраивать сенсоры на нужные ионы. Это очень интересная и востребованная технология», — поделился своими планами Илья Рыжков.

Нанотоксикология — новая область исследований

Завершим наш рейтинг публикаций самой востребованной (опять же по данным Web of Science) среди ученых статьей этого года. Международный коллектив ученых, в состав которого вошла Екатерина Шишацкая из Сибирского федерального университета, опубликовал обзор в журнале Food and Chemical Toxicology.

Достоинство обзорных статей в том, что на них ссылаются. Нынче для ученого крайне важно, чтобы тебя цитировали на всех фронтах, от научного до публичного. С обзорами по новой тематике всё просто: кто первый встал — того и тапки. Авторы поднимают темы, которые сейчас в поле зрения десятков узкоспециализированных статей. 

Наноалмазы, растущие на пленке. Изображение получено с помощью сканирующего электронного микроскопа. Фото: chm.bris.ac.uk

Эпоха нанотехнологий уже произвела на свет десятки новых материалов. Наночастицы используются в самых разных сферах — от упаковки материалов до лечения рака или доставки лекарств. Как любое новое вещество, наночастицы могут оказывать непредсказуемое воздействие на живые организмы. Мы просто не знаем, как будут на них реагировать обитатели планеты. 

Но это не значит, что нужно запретить их использование. Наоборот — необходимо исследовать, как они будут поглощаться живыми организмами, что будет происходить с ними внутри, будут ли они выводиться или накапливаться в каких-нибудь органах. Такие исследования уже идут по всему миру. Радует, что обзорная статья, которая задает направления исследований в этой области, имеет и красноярскую прописку.