2016 год далек от завершения, но это не означает, что мы не можем называть самые быстро развивающиеся, а вместе с тем и важнейшие для нашего будущего технологии. Журнал Scientific American собрал десятку громких названий, о которых мы писали, пишем и будем писать в этом году. Возможно, именно они изменят этот мир. Возможно, именно они сделают будущее таким, каким оно должно быть.

Органы-на-чипе открывают новые виды на биологию человека

Часть первая

Вопреки голливудским стереотипам, вы не найдете живых человеческих органов, плавающих в лабораториях биологов. Если даже отринуть все технические трудности поддержания органа вне тела, целые органы слишком ценны как трансплантаты, чтобы пускать их на эксперименты. И все же много важных биологических исследований и практических испытаний лекарств можно провести только изучая орган в процессе его работы. Новая технология может решить этот вопрос практически: за счет выращивания функциональных человеческих органов в миниатюре, на микрочипах.

В 2010 году Дональд Ингбер из Института Висса разработал легкие-на-чипе, первые в своем роде. Коммерческий сегмент быстро подключился к разработкам, включая компанию Emulate во главе с Ингбером и другими из Института Висса, а также DARPA. С тех пор разные группы ученых сообщали об успешной реализации миниатюрных моделей легких, печени, почек, сердца, костного мозга и роговицы. Далее будут и другие.

Каждый орган-на-чипе по размерам примерно с флешку USB. Он изготовлен из гибкого полупрозрачного полимера. Микрожидкие трубки, каждая меньше миллиметра в диаметре, подведены к клеткам, взятым из интересующего ученых органа, и работают в сложном тандеме с чипом. Когда питательные вещества, кровь и тестовые компоненты вроде экспериментальных препаратов закачиваются по трубкам, клетки повторяют ключевые функции живого органа.

Камеры внутри чипа могут быть организованы так, чтобы имитировать определенную структуру ткани органа вроде крошечных воздушных мешков в легком. Воздух проходит через канал и весьма точно имитирует человеческое дыхание. В то же время кровь, наполненную бактериями, можно накачивать по другим трубкам и наблюдать, как клетки реагируют на инфекцию, без какого-либо риска для человека. Эта технология позволяет ученым наблюдать биологические механизмы и физиологическое поведение, как никогда прежде.

Микрочипы с органами обеспечивают прорыв для компаний, которые разрабатывают новые лекарства. Их способность эмулировать человеческие органы позволяют точно и реалистично испытывать возможные лекарства. В прошлом году, например, одна группа использовала чип для имитации способа, которым эндокринные клетки выделяют гормоны в кровоток, и провела важные исследования лекарства от диабета.

Другие группы изучают возможность использования органов-на-чипе в персонализированной медицине. В принципе, эти микрочипы можно создавать из стволовых клеток, извлеченных у самих пациентов, а затем проводить испытания, которые позволят определить индивидуальные методы лечения, у которых будет больше шансов на успех.

Остается надежда, что миниатюрные органы могли бы значительно уменьшить зависимость фармацевтической промышленности от испытаний на животных. Миллионы животных умерщвляют каждый год в ходе таких тестов, отчего рождаются горячие споры. Но если даже не говорить об этической стороне вопроса, испытания на животных просто неэффективны, поскольку люди могут иначе реагировать на те же лекарства. Испытания на миниатюрных органах людей могут быть куда удачнее.

Военные также полагают, что у органов-на-чипе также есть потенциал спасать жизни, но немного другой. Искусственное легкое, а также другие подобные органы, может быть следующим крупным шагом в исследовании того, как биологическое, химическое или радиологическое оружие влияет на людей. Сейчас, по очевидным этическим причинам, такие испытания невозможны.

Солнечные элементы из перовскитов переживают подъем

Кремниевые солнечные элементы, которые в настоящее время преобладают на мировом рынке, страдают от трех фундаментальных ограничений. Новый перспективный способ производства высокоэффективных солнечных элементов с использованием перовскитов вместо кремния может решить все три одновременно и существенно повысить выработку электричества из солнечного света.

Первое серьезное ограничение кремниевых фотоэлектрических ячеек заключается в том, что они изготовлены из материала, который редко встречается в природе в чистой элементарной форме, которая необходима. Хотя нехватки кремния в форме диоксида кремния (песок на пляже) нет, необходимо приложить огромное количество энергии, чтобы избавить его от кислорода. Обычно производители нагревают диоксид кремния до 1500–2000 градусов по Цельсию в дуговой сталеплавильной печи. Энергия, необходимая для работы таких печей, устанавливает фундаментальный нижний предел себестоимости производства кремниевых фотоэлектрических ячеек и также добавляет выбросов парниковых газов в процессе производства.

Перовскиты — широкомасштабный класс материалов, в которых органические молекулы, состоящие в основном из углерода и водорода, связываются с металлом вроде свинца и галогеном вроде хлора в трехмерную кристаллическую решетку. Их производство может быть намного дешевле, а связанных с ним выбросов — намного меньше. Производители могут наносить перовскиты тонкой пленкой на поверхность практически любой формы без необходимости использовать печь. Пленка также весит очень мало.

Что, в свою очередь, устраняет второе большое ограничение кремниевых солнечных ячеек: их жесткость и вес. Кремниевые фотоэлектрические элементы прекрасно подходят для использования на плоских больших панелях. Но делать крупномасштабные инсталляции таких панелей весьма дорого, поэтому вы обычно видите их на крышах домов и на «солнечных фермах».

Третье серьезное ограничение традиционных солнечных элементов заключается в их эффективности преобразования энергии, которая уже 15 лет стоит на отметке в 25%. Изначально перовскиты обещали куда более низкую эффективность. В 2009 году элементы из перовскитов на основе свинца, иодида и метиламмония превращали менее 4% полученного солнечного света в электричество. Но темп развития перовскитов оказался феноменальным, отчасти благодаря тому факту, что этот класс материалов позволяет работать с тысячами различных химических составов. К 2016 году эффективность солнечных элементов на основе перовскитов подобралась к 20% — пятикратное улучшение всего за семь лет с удвоением эффективности за последние два года. Теперь они могут конкурировать коммерчески с кремниевыеми фотоэлектрическими элементами, а пределы эффективности перовскитов все еще могут быть намного выше. Быстро развивающиеся фотоэлектрические элементы на основе перовскитов очень скоро могут обойти уже зрелую технологию кремниевых ФЭ.

Ученым еще предстоит ответить на несколько важных вопросов о перовскитах, например, как они будут противостоять многолетним атмосферным воздействиям и как можно наладить их производство в таком количестве, чтобы конкурировать с кремниевыми панелями на мировом рынке. Но даже относительно небольшой приток этих новых элементов может помочь обеспечить солнечной энергией удаленные районы, еще не подключенные к электросети. В сочетании с развивающимися технологиями батарей, перовскитные солнечные ячейки могут помочь трансформировать жизни 1,2 миллиарда человек, которым в настоящее время не хватает надежного электричества.

Метаболическая инженерия превращает микробов в фабрики

Проследите путь продуктов, которые мы покупаем и используем каждый день — от пластмассы и тканей до косметики и топлива — до их появления и обнаружите, что подавляющее их большинство было сделано из материалов, созданных в глубоком подполье. Заводы, которые производят все необходимое для современной жизни по большому счету производят это из самых разных химических веществ. Эти химические вещества производятся на заводах в основном из ископаемого топлива — в основном, продуктов нефти — которое разбивается на множество других соединений.

Для климата и, возможно, для мировой экономики было бы гораздо лучше производить многие химические вещества для промышленности из живых организмов, а не из нефти, газа и угля. Мы уже используем сельскохозяйственную продукцию таким образом — мы носим хлопчатобумажную одежду и живем в деревянных домах — но растения не являются единственным источником ингредиентов. Микробы могут предложить гораздо больше в долгосрочной перспективе и делать недорогие материалы с широким набором свойств, которые мы принимаем как должное. Вместо того чтобы выкапывать сырье из земли, мы можем «варить» его в гигантских биореакторах, наполненных живыми микроорганизмами.

Чтобы химическое производство на биологической основе начало работать, оно должно начать конкурировать с обычным химическим производством как в цене, так и в производительности. Благодаря новейшим достижениям в области систем метаболической инженерии, которая меняет биохимию микробов, чтобы они тратили свою энергию и ресурсы на синтез полезных химических продуктов, эта цель оказалась в пределах досягаемости. Иногда эти настройки включают изменение генетического состава организмов; иногда включают более сложную инженерию микробного метаболизма и настройки свойств системы.

С новейшими достижениями в сфере синтетической биологии, биологии систем и эволюционной инженерии, метаболическая инженерия теперь способна создавать биологические системы, способные производить химические вещества, которые трудно (и дорого) производить традиционными способами. В рамках одной из последних успешных демонстраций, микробы были настроены на производство [поли(лактата-со-гликолата)], имплантируемого, биоразлагаемого полимера, который используется в качестве хирургического шовного материала, для имплантатов и протезов, а также для доставки лекарственных средств против рака и инфекций.

Системы метаболической инженерии также использовались для создания штаммов дрожжей, которые производят опиоиды для лечения боли. Эти лекарства нужны по всему миру, особенно в развивающихся странах, в которых с болью борются недостаточно эффективно.

Ассортимент химических веществ, которые можно производить с использованием метаболической инженерии, расширяется с каждым годом. Хотя этот метод вряд ли сможет воспроизвести все продукты, извлекаемые из нефтепродуктов, он зато сможет открыть нам новые химические вещества, которые никогда не были бы произведены из ископаемого топлива — в частности, сложные органические соединения, которые в настоящее время слишком дороги, поскольку их нужно извлекать из растений или животных, да и то в крошечных количествах.

В отличие от ископаемого топлива, химические вещества из микробов практически ничем не ограничены и испускают относительно мало парниковых газов; некоторые из них теоретически могут обратить вспять поток углерода с Земли в атмосферу, поглощая диоксид углерода или метан и включая его в продукты, которые в конечном итоге будут захоронены как твердые отходы.

По мере наращивания биохимического производства для промышленного использования, придется также внимательно следить за тем, чтобы случайно не выбросить инженерных микроорганизмов в окружающую среду. Хотя эти тонко настроенные микробы окажутся в невыгодном положении в дикой природе, лучше держать их безопасно в своих баках, счастливо работая над производством полезных вещей на благо человечества и окружающей среды.

Блокчейн усиливает конфиденциальность, безопасность и неприкосновенность данных

Блокчейн, или же цепочка блоков транзакций, — это термин, известный по цифровой валюте биткойн: децентрализованная общественная сеть транзакций, которой не владеет и не управляет ни один человек, ни одна организация. Любой пользователь может получить доступ ко всему блокчейну, и каждый перевод средств с одного аккаунта на другой записывается и верифицируется с использованием математических методов, заимствованных из криптографии. Поскольку копии блокчейна разбросаны по всей планете, он считается эффективным методом защиты от взлома.

Проблемы, которые представляют биткоины для правоохранительных органов и международного валютного контроля, обсуждаются постоянно. Но блокчейн находит применение и за пределами простых денежных операций.

Как и сеть Интернет, блокчейн представляет собой открытую глобальную инфраструктуру, на которой могут быть построены другие технологии и приложения. И, как и Интернет, он позволяет людям обходить традиционных посредников, работая друг с другом, тем самым снижая или вовсе убирая операционные издержки.

Используя блокчейн, отдельные лица могут обменивать деньги или покупать страховку безопасно или без банковского счета, даже через национальную границу — это может стать прорывом для двух миллиардов человек в мире, в котором правят финансовые институты. Технология блокчейна позволяет незнакомцам заключать быстрые и надежные контракты без юристов и посредников. Можно продать недвижимость, билеты, акции или другой вид собственности или прав без брокера.

Долгосрочные последствия использования блокчейна для профессиональных посредников, вроде банков, адвокатов и брокеров, могут быть весьма серьезными и не обязательно в худшую сторону, ведь сами эти посредники платят огромные суммы в виде операционных издержек на ведение бизнеса. Аналитики Santander InnoVentures, например, подсчитали, что к 2022 году технология блокчейна могла бы сэкономить банкам более 20 миллиардов долларов в год.

Около 50 крупных банков заявили об инициативе изучения и использования блокчейна. Инвесторы вложили более миллиарда долларов в прошлом году в стартапы, которые будут эксплуатировать блокчейн для широкого круга предприятий. Техногиганты вроде Microsoft, IBM и Google уже ведут проекты блокчейнов.

Поскольку блокчейновые транзакции регистрируются с использованием частных и публичных ключей — длинных строк символов, нечитабельных для людей — люди могут сохранять анонимность, позволяя третьим лицам верифицировать их цифровое рукопожатие. И не только люди: организации могут использовать блокчейны для хранения публичных записей и гарантий.

Пожалуй, самым обнадеживающим преимуществом технологии блокчейна является стимул, который он создает для участников: работать честно и по правилам, которые одинаковы для всех. Биткоины привели к известным злоупотреблениям в торговле контрабандой, и определенное злоумышленное использование технологии блокчейна будет неизбежно. Эта технология не делает кражу невозможной, только усложняет ее. Но, как и любая технология, блокчейн совершенствуется и улучшается, и в этом его перспективы весьма радужны.

Двумерные материалы создают новые инструменты для технологов

Новые материалы могут изменить мир. Мы не просто так говорим о бронзовом веке и о железном веке. Бетон, нержавеющая сталь и кремний привели нас в современную эпоху. Теперь же новый класс материалов, состоящих из одного слоя атомов, отмечают далеко идущие возможности. Этот класс двумерных материалов за последние несколько лет вырос и включает решетчатые слои углерода (графен), бора (борофен), гексагонального нитрида бора (белый графен), германий (германен), кремния (силицен), фосфора (фосфорофен) и олова (станен). Много других двумерных материалов были показаны в теории, но еще не синтезированы, вроде графана из углерода. У каждого из них удивительные свойства, и различные двумерные субстанции можно совмещать как кубики LEGO, создавая новые материалы.

Революция монослоев началась в 2004 году, когда двое ученых создали двумерный графен с помощью обычного скотча — пожалуй, это первый раз, когда нобелевское открытие было сделано с использованием инструмента, который можно найти даже в детском саду. Графен прочнее стали, тверже алмаза, легче всего остального, прозрачный, гибкий и прекрасно проводит электричество. Он также непроницаем для большинства веществ, за исключением водяного пара, который свободно протекает через молекулярную сетку.

Изначально графен стоил дороже золота, но благодаря улучшению технологий производства упал в цене. Гексагональный нитрид бора также коммерчески доступен и следует подобной траектории. Графен стал достаточно дешевым, чтобы его можно было включать в водные фильтры, предназначенные для опреснения и очистки сточных вод. По мере снижения стоимости, графен можно будет добавлять в бетон и асфальт для очистки городского воздуха, поскольку помимо своей прочности, этот материал поглощает моноксид углерода и оксиды азота из атмосферы.

Другие двумерные материалы, вероятно, будут следовать траектории графена и найдут применение в различных сферах по мере снижения стоимости производства, особенно в электронике. Технологи до сих пор открывают для себя новые уникальные свойства двумерных материалов. Графен, например, используется для производства гибких датчиков, которые можно зашить в одежде — или напрямую распечатать в 3D-ткани, используя другую технику производства. При добавлении к полимерам, графен может сделать крылья самолета легче и прочнее.

Гексагональный нитрид бора совместили с графеном и нитридом бора для улучшения литий-ионных батарей и суперконденсаторов. Умещая больше энергии в меньших объемах, эти материалы могут снизить время зарядки, продлить жизнь батареи и снизить вес — это будет полезно везде, от смартфонов до электромобилей.

Всякий раз, когда новые материалы попадают в окружающую среду, возникают опасения на тему их токсичности. Десять лет токсикологических исследований графена не выявили ничего, что могло бы подогреть озабоченность на тему его влияния на здоровье и окружающую среду. Но исследования продолжаются.

Изобретение двумерных материалов создало новый ящик с мощными инструментами для технологов. Ученые и инженеры смешивают и сопоставляют эти сверхтонкие соединения — каждое с уникальными оптическими, механическими и электрическими свойствами — для производства материалов, оптимизированных для самых разных применений. Сталь и кремний, основы индустриализации 20 века, выглядят неуклюжими и сырыми по сравнению со своими наследниками.