Текст книги "Юный техник, 2011 № 12"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

ПО СЛЕДАМ СЕНСАЦИЙ
Нож не режет, пуля не берет!

Исследователи Голландии под руководством биохимика и дизайнера Джалилы Эссаиди смогли, казалось бы, невозможное. Они нашли способ сделать пуленепробиваемой человеческую кожу. Причем помогали им в этом… паук, коза и генетика. А дело было так…

Мы вам уже рассказывали (см. «ЮТ» № 2 за 2003 г.), как канадские и американские ученые внедрили в геном козы гены паутины, смогли получить козье молоко, которое теперь может быть использовано для создания… прочных бронежилетов и наложения послеоперационных швов.

Паучий же ген понадобился вот для чего. Природа создала множество материалов с удивительными свойствами. Взять, к примеру, обыкновенную паутину. Ее нити способны вытягиваться на треть своей длины, впятеро прочнее стали на разрыв и при этом несравненно легче.

Справедливости ради надо отметить, что речь идет лишь об одном сорте паутины – нити основы, самой прочной и толстой (около 5 мкм), из которой некоторые виды пауков строят каркасы ловчих сетей. На самом деле самка паука может делать семь видов паутинного шелка: их выделяют разные железы насекомого, и предназначены они для разных целей, поэтому их структура и свойства сильно отличаются.

В свое время, использовав паутину крупных тропических пауков, искусные ткачи смогли соткать тончайшие, но очень прочные перчатки для Наполеона. Узнав, из чего сделан подарок, император тут же загорелся идеей оснастить свой флот паутинными парусами. Однако расчет показал: даже пауки всей Земли не в состоянии наткать паутины, чтобы обеспечить парусным вооружением хотя бы один корабль.

С той поры исследователи стараются заменить паутину ее искусственным аналогом. Однако синтезировать материал, из которого сделана паутина, долгое время никому не удавалось. Дело в том, что, как показал анализ, паучий шелк – сложнейший композиционный материал, состоящий из двух видов белков. Молекулы эти весьма хитро переплетены, причем часть белка находится в аморфном состоянии, а часть (от 30 до 45 %) – в виде кристаллов: первые обеспечивают эластичность, а вторые – прочность. Сделать такой материал, что называется, вручную невозможно. И тогда исследователи монреальской компании «Нексиа биотекнолоджиз» пошли обходным путем – вывели породу коз, в геном которых встроены гены паука, отвечающие за выработку паутины. Выработанный ими протеин и стал основой для получения легкого и прочного волокна, которое президент фирмы «Нексиа» Джеффри Тернер назвал «биосталью».

Кстати, подобные работы ведутся и в России. В Государственном научно-исследовательском институте генетики и селекции промышленных микроорганизмов под руководством доктора биологических наук, члена-корреспондента РАН Владимира Георгиевича Дебабова расшифровали ген, ответственный за выработку паутинного белка у крестовика уемуры – крупного, размером в полкулака, паука, обитающего на Дальнем Востоке. Затем ученые сумели синтезировать аналог этого гена. Синтезированный ген встроили в геном дрожжей-сахаромицетов, после чего эти микроорганизмы стали вырабатывать паутинный белок.

Ученые сумели выделить его из дрожжей в достаточных количествах, очистить, подобрать для него растворитель и сделать тончайшие пленки на стекле, которые были подвергнуты затем всестороннему изучению. Исследования показали, что в полученных пленках прослеживается та же структура, что и в природной паутине. Другими словами, ученым удалось получить аналог природного композиционного материала. Технологические решения по части прядения разрабатывают ученые в научно-исследовательском центре «Углехимволокно» (г. Мытищи). Впрочем, исследователи еще тогда, около десяти лет назад, полагали, что проведенные исследования – лишь первый шаг на пути к промышленной технологии, когда из наработанного микроорганизмами белка можно будет делать тончайшие нити. «Рукотворную» паутину предполагалось использовать для изготовления легких и надежных бронежилетов, частей летательных аппаратов, в строительстве и медицине…

Однако даже сами дерзкие исследователи не додумались, что вместо бронежилета можно сделать пуленепробиваемой саму кожу человека или, скажем, полицейской собаки. И вот ныне этот следующий шаг сделан в Голландии. Проект носит название «2,6 г, 329 м/с». Это стандартный вес и скорость пули, выпущенной из винтовки 22-го калибра. На эти характеристики рассчитан самый мощный бронежилет.

В лабораторных условиях исследователи смогли совместить человеческую кожу и паучью нить. Получившийся материал при этом действительно способен наделить людей суперспособностями. Например, отражать пули калибра 5,66.

Испытания показали, что кусок синтетической кожи, выращенной в лаборатории, выстоял под ударом свинца. Ради этого момента, который можно увидеть только при замедлении сверхскоростной съемки, ученые со всего мира упорно трудились около года.

«Когда выяснилось, что паутину можно использовать для производства бронежилетов, я подумала: «Зачем себя ограничивать?» – рассказала о том, как родилась идея, руководитель проекта Джалила Эссаиди. – Почему бы не вживить паутинную нить сразу в человеческую кожу? Если бы гены пауков стали частью нашего генома, то люди, наверное, стали бы пуленепробиваемыми?»

Заданные вопросы требовали ответов. Однако эксперименты с человеческим геномом в мировой науке запрещены, так что материал решили синтезировать в лаборатории. Искусственную кожу ученые выращивают уже давно. А как добавить гены паука, рассказали американские генетики из университета штата Юта, которые освоили опыт канадцев.

Кожу исследовали в лаборатории.

Самый ответственный момент испытаний – пуля атакует кожу.

Шесть месяцев работы, использование генетически модифицированных насекомых и специального текстильного оборудования – все это только для того, чтобы произвести небольшой кусочек ткани. Получился материал, который превосходит по своим качествам кевлар, который сейчас используют в производстве бронежилетов.

Следующий этап – пересадка куска пуленепробиваемой кожи живому человеку. Добровольцев, несмотря на этическую сомнительность открытия, нашлось множество.

Но военные не заинтересовались шедевром биотехнологии. Во-первых, потому, что создавать бронежилеты намного дешевле, чем искусственную кожу, которую затем еще надо вживлять людам. Во-вторых, неизвестно, как затем поведет себя пересаженная кожа. В-третьих, как показал опыт, в те же кевларовые жилеты приходится монтировать вставки из особо прочной керамики, иначе пуля, даже не пробив кевлар, может все же нанести человеку увечье.

В общем, как сказал Абдул эль-Галбзуриа, профессор Центра медицины университета Лейдена, «с научной точки зрения, гораздо интереснее и важнее выяснить, как клетки кожи уживаются с паутиной, чтобы мы могли научиться пересаживать эту кожу жертвам ожогов или использовать те же нити в хирургии для наложения швов, чем мудрить с бронежилетами». Да и сама Джалила Эссаиди созналась, что главная цель их работы – привлечь внимание публики к возможностям современной биотехнологии.

ПРЕМИИ
Почти кристаллы

Лауреатом Нобелевской премии по химии за 2011 год стал ученый из Израиля Даниель Шехтман за работу, которую в 1982 году сделал практически в одиночку.

Путь профессора в науку был вполне традиционен. Дан Шехтман родился в 1941 году в г. Тель-Авиве. В 1972 году окончил Израильский технологический институт в Хайфе. С тех пор он работает в том же институте исследователем. Кроме того, Д. Шехтман – профессор израильского технологического института Технион в Хайфе, а также сотрудник департамента энергетики США и профессор в Университете штата Айова.

Свою награду он получил «за открытие квазикристаллов». Так сказано в пресс-релизе Нобелевского комитета. Однако обосновавшие свое решение члены этого комитета сочли необходимым пояснить, что профессор из Хайфы открыл нечто, что «потрясает основы представления о том, как устроено твердое тело».

И вот здесь, наверное, необходимы пояснения. А дело было так. В начале 1982 года Шехтман был отправлен на научную стажировку в США, в Национальное бюро стандартов. Здесь он и проводил эксперименты по изучению кристаллической решетки сплава алюминия и марганца с помощью электронного микроскопа.

Всем, наверное, известно, что любой объект в нашем мире, даже мы с вами, состоит из молекул и атомов. В твердых телах атомы расположены в строгом порядке, определяемом так называемой кристаллической решеткой. Увидеть эту решетку невооруженным глазом нельзя – уж слишком невелики атомы и расстояния между ними. И микроскоп, даже электронный, помогает слабо. А потому судят о строении решетки еще и по данным рентгено-структурного анализа.

Каждый, кто хоть однажды видел медицинские рентгеновские снимки, согласится, что понять по ним, какой орган где расположен и какой здоров, а какой болен, не каждому по силам. Анализом рентгенограмм занимаются в медицине особые специалисты.

Вид структуры кристалла под электронным микроскопом.

Микроструктура квазикристалла сплава серебра и алюминия.

Нобелевский лауреат Даниэль Шехтман.

Таким специалистом, только в области структуры сплавов, и стал Шехтман. Во время своих опытов он пропускал через образцы пучки электронов. Некоторые из электронов при этом сталкивались с атомами, изменяли траекторию своего полета (то есть, говоря иначе, осуществлялась дифракция пучка электронов), и на дисплее возникало некое изображение структуры сплава.

Исследователь заметил, что изучаемая им структура хорошо упорядочена, но в то же время и необычна.

Шехтман увидел окружности, образованные 10 яркими точками. Из теории ему было известно, что кристаллическая решетка обычно дает 2, 3, 4 или даже 6 точек, но никак уж не 10. Он повторил эксперимент и получил ту же картину. Д. Шехтман сделал запись о странном явлении в своем рабочем дневнике и тем самым точно датировал открытие – 8 апреля 1982 года. Продолжая эксперименты, Д. Шехтман вскоре получил дифракционный рисунок из 5-точечных окружностей, что тоже было против кристаллографических закономерностей.

Не поделиться своими результатами с американскими коллегами Дан Шехтман не мог. Но ему… просто не поверили. А когда исследователь написал статью о своей работе и отправил ее в редакцию научного журнала, рукопись была отвергнута примерно с той же формулировкой.

Д. Шехтман вернулся в Израиль и разослал копии рукописи своим коллегам в разных странах с просьбой проверить его эксперименты. И два года спустя двое других исследователей – Джон Кан и Жерве Гратиа – получили такую же картину. Статью Д. Шехтмана и его коллег принял к публикации журнал Physical Review Letters.

Так мир узнал о существовании квазикристаллов.

Такое название они получили потому, что их кристаллическая решетка обладает осями симметрии разных порядков: это ранее противоречило представлениям кристаллографов. В настоящее время обнаружено около сотни разновидностей квазикристаллов, имеющих точечную симметрию икосаэдра, а также десяти-, восьми– и двенадцатиугольника (см. рис.).

В настоящее время известно много видов квазикристаллов, имеющих точечную симметрию икосаэдра, а также десяти-, восьми– и двенадцатиугольника.

Со временем выяснилось, что с квазикристаллами физики сталкивались задолго до их официального открытия. «В частности, такие структуры были выявлены при изучении в 40-е годы XX века дифракции Дебая – Шерера на зернах интерметаллидов в алюминиевых сплавах, – сказано в научном отчете. – Однако в то время икосаэдрические квазикристаллы были ошибочно идентифицированы как кубические кристаллы с большой постоянной кристаллической решетки». То есть, говоря попросту, квазикристаллы были восприняты не как новый класс веществ, а как некие искажения в старых структурах.

Сейчас же официально признано, что квазикристаллы представляют собой особый вид сплавов, и свойства их уникальны. У них низкая теплопроводность, их электрическое сопротивление с ростом температуры падает, в то время как у обычных металлов растет. Со временем квазикристаллы нашли в разных материалах – металлах, жидкостях, полимерах.

Впрочем, долгое время считалось, что квазикристаллы можно создать только искусственным путем. Лишь в 2009 году естественные квазикристаллы, состоящие из атомов железа, меди и алюминия, были обнаружены в России во фрагментах пород, собранных на берегах реки Катырки в Якутии. Международная команда ученых, сделавших это открытие, назвала минерал с квазикристаллической решеткой икосаэдритом.

В наши дни икосаэдрит используют как добавку в высококачественную легированную сталь. Материалы со структурой квазикристаллов уже используются в авиационной и автомобильной промышленности. Есть предположения, что они найдут себе применение при создании космолетов, в нанотехнологии и микроэлектронной промышленности. Новые синтетические материалы с квазикристаллической конфигурацией будут, как полагают, иметь потрясающую твердость и прочность.

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

БРИТАНИЯ ВОЗНИКЛА ИЗ… АСТЕРОИДА?! Следы крупного астероида, упавшего на Землю 214 млн. лет назад, обнаружили в районе Бристоля британские ученые. Звездный странник диаметром около 5 км врезался в Землю на скорости около 16 км/с. Эпицентр места падения находился далеко, за несколько тысяч километров – где-то в Северо-Восточной Канаде. Однако пыль и обломки, поднятые в атмосферу гигантским взрывом, достигли территории, которая впоследствии стала Британскими островами. Они выпали слоем спекшихся при высокой температуре стекловидных частиц и пыли толщиной около 2 сантиметров.

В момент падения астероида на Земле существовал единый гигантский континент – Пангея. Ученые не исключают, что именно этот катаклизм положил начало тектоническим процессам, в результате которых начался раскол Пангеи, дрейф континентов, образование островов, в том числе Британских.

САМЫЕ ТОЧНЫЕ ЧАСЫ. Самые точные часы в мире находятся в Лондоне. И это вовсе не знаменитый Биг-Бен, а атомные часы, находящиеся в Национальной физической лаборатории. Титул наиточнейших часов присвоен им журналом знаменитого Международного бюро мер и весов – «Метрология». Проверка показала, что эти атомные часы способны отстать или уйти вперед на одну секунду лишь за 138 млн. лет. Ни одни существующие на сегодняшний день часы в мире не обладают подобной точностью.

РАСТЕНИЯ-ДЕТЕКТОРЫ. Еще М.В. Ломоносов обратил внимание, что «травки, над рудными жилами растущие», меняют цвет своей листвы. А стало быть, растения можно использовать в качестве детекторов для выявления определенных руд или иных химических соединений.

Уже в наши дни подобные свойства некоторых растений стали использовать для выявления, например, мин, зарытых на каком-то поле. По весне данное поле засевают с воздуха семенами определенной травы и ждут, когда она прорастет. Те растения, которые оказываются поблизости от мин, меняют свой цвет, намного облегчая работу саперам.

Наконец, исследователи из Колорадского университета намерены использовать растения в роли детективов, выслеживающих террористов. Они отобрали целый ряд растений, листва которых меняет свой цвет (например, белеет), как только в воздухе обнаруживаются молекулы некоторых соединений.

Ученые, модифицируя ДНК, сделали так, что эти растение (названия не сообщаются) стали считать угрозой для себя взрывчатые вещества. Они обнаруживают взрывчатку по едва уловимым примесям в воздухе, ведь запах опасных химических соединений так или иначе всегда просачивается в атмосферу. И растение тут же сигнализируют об опасности.

Предполагается, что растения-детекторы в горшках будут располагать в залах ожидания на вокзалах, в аэропортах, супермаркетах, музеях, словом, там, где есть опасность теракта.

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Возрождение парашюта

На МАКС-2011 среди множества прочих экспонатов были продемонстрированы и новые изделия НИИ парашютостроения. А на состоявшей там же, в Жуковском, пресс-конференции много интересного рассказали сотрудники института во главе с генеральным директором ФГУП НИИ парашютостроения Виктором Лялиным.

Парашют для первого космонавта Земли, купол для самой большой в мире водородной бомбы, спасательные системы для всех советских и российских пилотируемых космических кораблей и спускаемых аппаратов дальнего космоса серий «Венера», «Марс», «Луна» и «Вега» – вот лишь некоторые разработки сотрудников НИИ парашютостроения.

Институт был образован сразу после Второй мировой войны. Основными его заказчиками стали летчики военной авиации, воздушно-десантные войска, аэрокосмическая промышленность. Для них и было создано почти пять тысяч парашютных изделий различных модификаций. Их надежность подтверждена временем. Например, для десантных парашютов показатель надежности – пять предпосылок на отказ на миллион применений.

«Продукция наших специалистов работает безотказно даже в непредвиденных случаях. Вспомните, как в Ле-Бурже была аварийная ситуация с нашим самолетом, и летчик катапультировался на высоте где-то около 50 метров. Он приземлился благополучно, остался жив», – подчеркнул Виктор Лялин.

Известна продукция НИИ и за рубежом. Несколько лет назад российскими специалистами по заказу Европейского космического агентства создали уникальный парашют для спасения разгонного блока ракеты-носителя «Ариан-5», который весит 40 тонн. Площадь парашюта составила почти 2000 кв. м!

Спуск с орбиты космических аппаратов осуществляется на парашюте.

Парашют «Школьник» используется при выполнении учебно-тренировочных прыжков.

Вообще у «предотвращающих падение» – именно так переводится слово «парашют» с французского – длинная и славная история. Первый проект спасительного купола предложил еще Леонардо да Винчи в эпоху Возрождения. Освоение же парашютов на практике началось при полетах на воздушных шарах. В декабре 1783 года француз Ленорман выполнил первый прыжок из корзины аэростата. Именно он назвал свое изобретение «парашют».

Специальный ранцевый парашют для летчиков создал русский изобретатель Глеб Евгеньевич Котельников. Сто лет тому назад, в 1911 году, он зарегистрировал свое изобретение. Купол его парашюта имел круглую форму, укладывался в металлический ранец, который вешался за спину, подобно рюкзаку. На дне ранца под куполом располагались пружины, которые выбрасывали парашют наружу, после того как прыгающий дергал за вытяжное кольцо. Впоследствии жесткий ранец был заменен мягким, а на его дне появились соты для укладки в них строп. Такая конструкция спасательного парашюта применяется до сих пор.

Наши конструкторы и парашютисты первыми в мире летом 1930 года осуществили массовое десантирование людей и грузов с парашютов. Так было положено начало современным воздушно-десантным войскам – ВДВ.

Сейчас специалисты НИИ парашютостроения продолжают изобретать и совершенствовать конструкции парашютов для различных целей, добиваясь простоты и надежности. Среди новейших разработок НИИ – управляемые планирующие парашютные системы, которые способны доставлять грузы точно в заданный район при помощи спутниковой навигации.

«Мы сегодня готовы к созданию парашютов для самолетов и авиационных комплексов 5-го поколения, – заверил Виктор Лялин. – Отечественное парашютостроение ныне обретает второе дыхание. Госкорпорация «Ростехнологии» создает холдинг по парашютным системам военного и гражданского назначения. Новая структура будет разрабатывать парашютные системы спасения экипажей, системы жизнеобеспечения воздушных и космических летательных аппаратов, парашютно-десантное оборудование…»

Новые десантные парашюты Д-10 идут на смену парашютам Д-6. В отличие от предшественников, система Д-10 обладает повышенной грузоподъемностью – вес десантника со снаряжением может достигать 140 кг, что позволяет ему взять с собой больше боеприпасов и снаряжения. Такие парашюты имеют купол круглой формы площадью 100 кв. м. Они могут применяться для боевых и учебных прыжков на скоростях сброса от 140 до 400 км/ч, в диапазоне высот от 200 до 8000 м. Срок эксплуатации парашюта – 14 лет, в течение которых он может выдержать от 80 до 120 применений.

Помимо Д-10, наши десантники в 2011 году получили первую партию новейших парашютов «Арбалет». Особенность парашюта в том, что после приземления его можно использовать в качестве палатки. В НИИ парашютостроения завершаются испытания и еще одного десантного парашюта. Разработчики называют его «Листик». Главное его достоинство – максимальная безопасность. Кроме того, благодаря оригинальному механизму центрального замка, освободиться от парашюта десантник может за секунды.

По словам заместителя генерального директора НИИ парашютостроения Юрия Назаренко, новый парашют также позволяет десантнику производить развороты в ходе снижения, спускаться по ветру и против него.

Комплект «Листика» представляет собой ранец с основным и запасным парашютами, а также грудной контейнер с боеприпасами и продовольствием. «Наш новый парашют легче состоящего на вооружении ВДВ парашюта Д-10. Кроме того, он рассчитан на вес до 165 кг, в то время как Д-10 – на 140 кг», – отметил Назаренко.

Думают наши специалисты и над тем, как бы спасти пассажиров авиалайнеров в случае отказа двигателей в воздухе. По словам заместителя директора НИИ парашютостроения профессора Виктора Морозова, идея коллективного спасения пассажиров самолетов с помощью парашютной системы зародилась еще в 20-е годы XX века. Создатель первого в мире ранцевого парашюта российский изобретатель Глеб Котельников в 1923 году получил также патент и на изобретение «устройства для спасения пассажиров при аварии самолета».

По замыслу изобретателя, в случае аварии от самолета должна была отделяться вся пассажирская кабина, которая затем спускалась на землю на больших парашютах. Члены же экипажа, имевшие индивидуальные парашюты, покидали самолет самостоятельно. Однако технические возможности того времени не позволили реализовать эту идею. Сегодня возможности материаловедения и технологии дают специалистам такую возможность.

Последователи Котельникова предлагают устанавливать на пассажирских магистральных авиалайнерах (например, на аэробусах Ил-96) аварийно-спасательную систему, которая в случае опасности отсоединит от фюзеляжа крылья, хвостовой стабилизатор, горизонтальное оперение и двигатели. На парашютах спускается лишь обитаемая гондола, оборудованная системой боковых рулей, создающих аэродинамическую управляемость при снижении, а также радиомаяком для определения координат аварийной посадки модуля.

Вот только воплощение этой идеи в жизнь дело не самого близкого будущего. По мнению Виктора Морозова, это очень сложная и многоплановая проблема. Это будет не просто самолет и не просто парашют, сложенные вместе, а самолетно-парашютная система, все части которой должны работать слаженно.

Это очень дорогостоящая разработка, поэтому если проект пробьет себе дорогу в жизнь, то воплощаться он будет в условиях международной кооперации. Кроме того, сегодня и у нас, и за рубежом возникла дилемма: то ли вкладывать деньги в саму конструкцию самолета и делать его абсолютно надежным, то ли инвестировать средства в альтернативные варианты. Однако билет на абсолютно безопасный самолет будет стоить миллионы долларов. Так что, наверное, дешевле все же использовать парашюты.