Новое в технике и технологиях

"Эта техника печати тканей и органов является важным и очень серьезным шагом на пути к созданию технологии, позволяющей изготовлять органы-"запчасти" для наших пациентов. Теперь у нас есть возможность печатать полноценные человеческие органы, сохраняющие стабильность. В дальнейшем, эта технология поможет нам "печатать" ткани и органы пригодные для имплантации", — заявил Энтони Атала (Anthony Atala) из Института регенеративной медицины в Уэйк-Форесте (США).

Как отмечают Атала и его коллеги, одним из главных препятствий на пути выращивания органов из стволовых или "взрослых" клеток является то, что их "печать" возможна лишь тонким слоем. По словам ученых, когда толщина "пирога" из клеток превышает 200 микрометров, ткань начинает гибнуть, так как питательные вещества и кислород не могут проникнуть на такую глубину без наличия кровеносных сосудов.

Авторы статьи решили эту проблему, создав особый полимер, позволявший ученым укладывать клетки слоями и при этом сохранять небольшой просвет между ними. Это позволило клеткам будущих костей, мышц или хряща расти в фактически неограниченных масштабах, не испытывая проблем с доступом к пище и кислороду.

После того, как орган "напечатан", ученые помещают его в организм мыши или даже человека, где он постепенно "зарастает" кровеносными сосудами, а полимер постепенно разлагается, уступая им место. В конечном итоге на месте заготовки возникает полноценный орган, обладающий нужной трехмерной формой и всеми необходимыми видами ткани.

В качестве демонстрации биологи вырастили кость нижней челюсти человека, используя стволовые клетки, а также "напечатали" полноценную раковину уха, используя МРТ-снимок одного из добровольцев в качестве шаблона для печати. Оба органа были помещены в тело грызуна и успешно прижились в нем, полностью покрывшись изнутри сосудами.

Пока эта технология не совсем готова для медицинского использования – ее еще предстоит проверить в клинических испытаниях, однако Атала и его коллеги уверены, что им удастся быстро вывести ее в медицинскую практику.

Революционное для фотоники и компьютеров будущего открытие сделали исследователи из лаборатории нанооптики и плазмоники центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ. Им впервые удалось произвести нанофотонные компоненты на основе меди, которые по своим характеристикам не уступают аналогам из золота. Примечательно, что медные компоненты были произведены учеными в рамках стандартного технологического процесса, используемого для производства большинства современных микросхем. Это означает, что именно медные нанофотонные компоненты смогут в самом ближайшем будущем стать основой для энергоэффективных источников излучения, сверхчувствительных сенсоров и датчиков, а также высокопроизводительных оптоэлектронных процессоров, работающих на нескольких тысячах ядер.

Открытие было сделано в рамках так называемой нанофотоники – области, исследований, работающей в том числе над тем, чтобы заменить существующие в вычислительных устройствах компоненты на более совершенные за счет использования фотонов вместо электронов. Однако, в то время как основной компонент современной электроники, транзистор, может быть уменьшен до нескольких единиц нанометров, дифракция света ограничивает минимальные размеры фотонных компонентов величиной приблизительно равной длине волны света (порядка 1 микрометра). Несмотря на фундаментальность этого так называемого дифракционного предела, его возможно преодолеть используя металл-диэлектрические структуры и создать действительно наноразмерные фотонные компоненты. Во-первых, большинство металлов обладают отрицательной диэлектрической проницаемостью на оптических частотах, и свет не может в них распространяться, проникая на глубину всего лишь около 25 нанометров. Во-вторых, свет может быть преобразован в поверхностные плазмон-поляритоны, поверхностные волны распространяющиеся вдоль поверхности металла. Таким образом становится возможным перейти от привычной трехмерной к фактически двумерной фотонике на основе поверхностных плазмонов, известной как плазмоника, и управлять светом уже на масштабах порядка 100 нанометров, т.е. далеко за дифракционным пределом.

Ранее считалось, что для создания эффективных фотонных металл-диэлектрических наноструктур могут использоваться только два металла – золото и серебро, – в то время как все остальные металлы характеризуются настолько большим поглощением, что не могут быть альтернативой этим двум материалам. Однако на практике создавать компоненты на основе золота и серебра не представляется возможным, потому что оба металла, будучи "благородными", практически не вступают в химические реакции, а значит, из них крайне трудно, дорого и в большинстве случаев просто невозможно создавать наноструктуры – основу современной фотоники.

Исследователи из МФТИ нашли решение этой проблемы. На основании обобщения теории для так называемых плазмонных металлов они еще в 2012 году выяснили, что медь как оптический материал может не только составить конкуренцию золоту, но и превзойти его. В отличие от золота, медь можно довольно легко структурировать, использую жидкостное или плазменное травление, и создавать на ее основе наноразмерные компоненты, которые легко интегрируются в фотонные или электронные интегральные схемы на основе кремния.

Исследователям понадобилось более двух лет, чтобы закупить необходимое оборудование, разработать технологический процесс, изготовить образцы, провести множество независимых измерений и экспериментально подтвердить эту гипотезу. "В результате нам удалось создать медные чипы, оптические свойства которых ни в чем не уступают золотым аналогам, – приводит пресс-служба МФТИ слова лидера исследования Дмитрия Федянина. — Более того, мы добились этого в производственном цикле, совместимом с КМОП-технологией, которая является основой всех современных интегральных схем, включая микропроцессоры. Это своего рода революция в нанофотонике".

Эти исследования создают фундамент для начала практического использования медных нанофотонных и плазмонных компонентов, которые уже в ближайшем будущем будут использованы при создании светодиодов, нанолазеров, высокочувствительных сенсоров и датчиков для мобильных устройств, высокопроизводительных оптоэлектронных процессоров, насчитывающих до нескольких десятков тысяч ядер, для видеокарт, персональных компьютеров и суперкомпьютеров.

В мире в настоящее время активно идут работы по созданию устойчивого к авариям так называемого толерантного топлива (accident tolerant fuel). Стимулом к этому стала авария на японской АЭС "Фукусима-1" в 2011 году. Тогда после цунами, вызванного мощным землетрясением, обесточились энергоблоки станции, прекратилась подача охлаждающей воды в активные зоны их реакторов, произошел перегрев ядерного топлива. В результате повышения температуры циркониевых оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) возникла так называемая пароциркониевая реакция, сопровождавшаяся выделением дополнительного большого количества тепла и разрушением твэлов.

Практически сразу после этой аварии в странах с развитой атомной энергетикой активизировались разработки по предотвращению возможности возникновения пароциркониевой реакции. Один из путей решения этой проблемы — нанесение на поверхность циркониевых оболочек твэлов защитных покрытий.

"Перед нами была поставлена задача — разработать покрытия, защищающие циркониевые компоненты и повышающие их работоспособность не только в нормальных условиях эксплуатации, но и в аварийных ситуациях, в том числе с возникновением пароциркониевой реакции", — отметила главный специалист Института промышленных ядерных технологий МИФИ Светлана Иванова, слова которой цитируются в сообщении.

Специалисты МИФИ разработали покрытия, защищающие конструкционные элементы ядерного топлива от коррозии, которая способствует развитию пароциркониевой реакции.

"Коррозийная стойкость образцов после нанесения разработанных защитных покрытий, повысилась в 2-7 раз", — отметил Иванова. Это означает, что в случае аварии с потерей теплоносителя во столько же раз снизится температура протекания пароциркониевой реакции, что создаст более щадящие условия для ядерного топлива.

Как отмечается в сообщении, созданные учеными МИФИ покрытия могут быть также применены в других областях — в медицине, авиации, машиностроении.

Коллектив ученых Воронежского государственного университета выполнил проект "Изготовление магнитных наноструктурированных материалов силицидов переходных металлов (Si-Me) с эффектом оптического перемагничивания для элементов памяти нового поколения". В ходе проекта были получены материалы, которые, как поясняется в сообщении, позволят обеспечить "сверхвысокое быстродействие, которое обеспечивается новым способом записи, еще не используемым в серийных устройствах".

Такие материалы ориентированы, прежде всего, на рынок наноматериалов для фотоники, микросистемной техники и устройств памяти, отмечается в сообщении.

ВГУ является одним из крупнейших вузов России. Он включает в себя 18 факультетов, на которых обучаются более 20 тысяч студентов из 75 регионов России. Ежегодно в стенах университета проходят обучение более 1 тысячи иностранных студентов из около 80 стран мира. За последние полвека в ВГУ прошли подготовку около 15 тысяч иностранных граждан из 141 государства.