НОБЕЛІВСЬКІ ПАРАДОКСИ — 2025: фізики створюють «квантовий транзистор», а хіміки — «футбольні поля» всередині молекул
Автор фото: Олександр Махмуд, 2018. Арт-оформлення: Olena Burdeina (FA_Photo) via Photoshop
Схоже, що мрія про винахід квантового комп’ютера, що викреслить із нашої реальності традиційні комп’ютери, скоро втілиться у життя. Можливо також, що ми стоїмо на порозі революції, яку здійснять нові матеріали, що створюються в хімічних лабораторіях просто зараз. Принаймні, саме таке майбутнє нам пророкують Нобелівські премії з фізики та хімії, які були вручені у 2025 році.
НОБЕЛІВСЬКА ПРЕМІЯ З ФІЗИКИ: НА ШЛЯХУ ДО «КВАНТОВОЇ ПЕРЕВАГИ»
ЯК ПОДОЛАТИ КВАНТОВУ НЕСТАБІЛЬНІСТЬ
«Квантова перевага» — так науковці охрестили стан квантових обчислювальних пристроїв, здатних розв’язувати завдання, недоступні класичним комп’ютерам. Невипадково в технологічних квантових перегонах сьогодні беруть участь кращі уми людства, найбільші корпорації та величезні фінанси. Квантові комп’ютери, здатні обробляти фантастично величезні обсяги даних, можуть радикально змінити наш світ — медицину, хімію, фармацевтику, фінанси, криптографію та технології ШІ.
Однак до створення повноцінного «серійного зразка», мабуть, ще далеко. І хоча перші робочі прототипи американськими та німецькими вченими були створені ще наприкінці 1990-х, квантові машини досі не можуть позбутися цілої низки проблем. Головна з них — неможливість довготривалої стабільної роботи. Компанії Google, IBM і китайські дослідницькі центри здатні забезпечити квантові обчислення максимум протягом 13 секунд. Правда, нещодавно у Гарварді був встановлений рекорд — 2 години, який можна вважати неймовірним проривом у квантовій галузі.
НАВЧИТИСЯ «ХОДИТИ КРІЗЬ СТІНИ»
Фізики, які 2025 року отримали Нобелівську премію, по праву вважаються одними з піонерів у сфері квантових вимірювань. Професори трьох американських університетів, Джон Кларк з Великої Британії, Мішель Деворе з Франції та Джон Мартініс зі США, були відзначені премією за «відкриття макроскопічного квантово-механічного тунелювання та квантизації енергії в електричному ланцюзі».
Для непідготовленого читача це звучить досить складно, чи не так? Спробуймо максимально спростити. Сподіваємося, ви маєте певне уявлення про те, що в квантовому світі спостережуваний об’єкт може поводитися парадоксальним чином — і як хвиля, і як частинка. Тунелюючи з одного стану в інший, хвиля здатна долати енергетичні бар’єри. Приблизно так само, якби ми з вами отримали чарівну здатність проходити крізь стіни.
КВАНТОВИЙ ЕФЕКТ НЕ ОБМЕЖЕНИЙ МІКРОСВІТОМ
Раніше вважалося, що подібні квантові ефекти демонструють лише мікрочастинки. Новоспечені «нобелі» довели, що подібним чином можуть проявляти себе й системи набагато більшого масштабу. Зокрема, електрони в надпровідному контурі поводяться як одна гігантська суперчастинка. Однак науковці не лише виявили цей ефект, а ще й навчилися керувати процесом тунелювання цього гігантського «штучного атома».
Причому вони продемонстрували квантово-механічне тунелювання й квантовані рівні енергії в системі, яку можна тримати в руці. Це відкриття дозволить створити «квантовий транзистор», що перемикає не струм, а стан системи. Якщо кубіти квантового комп’ютера зможуть демонструвати стабільність, перебуваючи одночасно в двох станах, це відкриє для нас величезні обчислювальні потужності.
НОБЕЛІВСЬКА ПРЕМІЯ З ХІМІЇ: ВИБУХОВІ ТЕХНОЛОГІЇ БЕЗ ДИНАМІТУ
ШЛЯХОМ АЛЬФРЕДА НОБЕЛЯ
Нобелівськими лауреатами з хімії цього року стали також три професори. Японець Сусуму Кітагава з Університету Кіото, британець Річард Робсон з Мельбурнського університету та йорданець Омар М. Ягі з Каліфорнійського університету в Берклі. Премію вони отримали за дослідження в області «металоорганічних каркасів» (MOF), які, за словами голови Нобелівського комітету з хімії Хайнера Лінке, відкривають небачені можливості для створення матеріалів з новими функціями. Причому, як то кажуть, «на замовлення».
Цікаво, що у цих відкриттів виявилася своєрідна спадкоємність з найвідомішим відкриттям самого Альфреда Нобеля — динамітом. У певному сенсі Кітагава, Робсон і Ягі відтворили його винахід на новому науково-технічному рівні. Давайте з вами згадаємо, що вигадав хитромудрий Нобель. Засновник премії імені самого себе взяв вибухонебезпечний і нестійкий нітрогліцерин та помістив його в «каркасний» матеріал — діатоміт, пористу гірську породу, утворену відкладеннями мікроскопічних одноклітинних водоростей. У підсумку вийшла вибухівка, з якою стало безпечно працювати.
МАЙЖЕ ВИПАДКОВЕ ВІДКРИТТЯ
Нобелівські лауреати зробили практично те саме — вони навчилися синтезувати для будь-якого хімічного «наповнювача» штучний супрамолекулярний «каркас». Так на світ з’явився цілий напрям науки, який назвали «ретикулярною хімією». Хоча, треба сказати, він виник майже випадково. Робсон заходився створювати для своїх студентів наочний посібник для вивчення молекулярних структур. Для цього він брав дерев’яні кульки (атоми), висвердлював у них отвори і вставляв у них дерев’яні палички (хімічні зв’язки).
У процесі такого невигадливого рукоділля науковець помітив, що, з’єднуючи це все випадковим чином, отримати правильну модель молекули неможливо. Намагаючись поєднувати вже не окремі атоми, а різні типи молекул, Робсон вирішив створити структуру, схожу на кристал алмазу. Однак, на відміну від останнього, у ній виявилося безліч порожнин — приблизно так само, як у діатоміті Альфреда Нобеля. Подальші експерименти показали, що ці порожнини можна заповнювати найрізноманітнішими речовинами. На жаль, всі конструкції Робсона виявлялися досить крихкими й недовговічними.
НА ЩО ЗДАТНІ «МАТЕРІАЛИ XXI СТОЛІТТЯ»
Проблему Робсона вирішив Сусуму Кітагава. З’єднавши вузли тривимірних металоорганічних каркасів великими молекулами, він зробив їх більш стабільними. Подальший внесок в ідею стабілізації зробив вже Омар Ягі. Його матеріал MOF-5 не руйнувався навіть за температури 350 °C. У MOF-5 можна закачувати величезні обсяги метану. Всього пара грамів цієї речовини містила всередині гігантські порожнечі, за розмірами порівнянні з футбольним полем, за допомогою яких можна не тільки утримувати, але й розкладати токсичні гази.
Інші матеріали, зокрема MOF-303, застосовуються у виробництві напівпровідників, системах зниження промислових викидів і видобутку питної води в безжиттєвих пустелях з вологого нічного повітря. ZIF-8 здатний видобувати рідкоземельні метали зі стічних вод, MIL-101 — очищати воду від антибіотиків та зберігати великі запаси водню.
Так світ опинився на порозі справжньої MOF-революції. І хоча більшість цих можливостей доступна поки що лише в межах лабораторій, вже зараз компанії починають активно інвестувати у створення «матеріалів XXI століття».
При копіюванні матеріалів розміщуйте активне посилання на www.huxley.media
Виділіть текст і натисніть Ctrl + Enter
