Премию Кавли присудили за астросейсмологию и самосборку молекулярных монослоев

Норвежская академия наук объявила лауреатов премии Кавли 2022 года. Премию присудили 11 ученым из пяти стран. Премию по астрофизике получат ученые за работы по гелио- и астросейсмологии, в области нанонаук — за разработку методов самосборки молекулярных монослоев. В области нейронаук — за исследования генетических механизмов в основе заболеваний мозга, сообщает пресс-релиз, поступивший в редакцию. Подробнее о лауреатах можно прочитать на официальном сайте премии.

Премию Кавли присуждают раз в два года за достижения в трех областях: астрофизике, нанонауках и нейронауках. Премия учреждена Фондом Кавли, Норвежской академией наук и Министерством образования и исследований Норвегии. Лауреатов выбирает Норвежская академия наук, основываясь на рекомендациях трех независимых комитетов, чьих членов назначают Академии наук Китая, Франции и США, Общество Макса Планка в Германии и Королевское общество Великобритании. Размер премии составляет один миллион долларов США в каждой области.

Премию по астрофизике 2022 года разделят бельгийка Конни Aртс (Conny Aerts), датчанин Йорген Кристенсен-Далсгор (Jørgen Christensen-Dalsgaard) и американец Роджер Ульрих (Roger Ulrich). Все трое занимаются гелио- и астросейсмологией. В своих работах ученые показали, как колебания поверхности звезд связаны с теми процессами, которые происходят внутри них.

Роджер Ульрих разработал теоретическую модель, в которой предложил рассматривать Солнце как шар горячего газа. Тогда колебания его поверхности можно рассматривать как акустические волны с определенными характерными частотами, которые связаны с процессами внутри звезды — ядерными реакциями и конвекционным движением. Фактически, он первым показал, как можно использовать наблюдения за поверхностью Солнца для исследования внутренней части звезды, и заложил теоретические основы гелиосейсмологии. Его вычисления, в частности, помогли разобраться с проблемой солнечных нейтрино.

Йорген Кристенсен-Далсгор показал, что солнцеподобные осцилляции характерны и для других звезд. Он определил, как в Солнце распределяются скорость звука, конвекционные потоки и содержание гелия, и показал, что аналогичный подход можно использовать и для других холодных звезд небольшой массы внутри Млечного Пути. Кристенсен-Далсгор — один из авторов программ исследований для телескопов Кеплер и CoRoT. Конни Артс известна в первую очередь своими работами по астросейсмологии массивных горячих звезд. Она расширила модель на звезды на других стадиях эволюции и исследовала осцилляции, связанные не только с давлением, но и с гравитацией. Рассмотрев оба типа осцилляций, ей удалось сделать количественные оценки для процессов внутри тяжелых звезд, в частности, звезд спектрального класса O и красных гигантов.

Премию по нанонаукам присудили ученым за работы по созданию молекулярных монослоев на твердых поверхностях с помощью методов самосборки. Лауретами премии стали израильтянин Якоб Сагив (Jacob Sagiv), и американцы Ральф Нуццо (Ralph Nuzzo), Дэвид Аллара (David Allara) и Джордж Уайтсайдс (George Whitesides). Работы этих ученых — развитие классической технологии Лэнгмюра и Блоджет для адсорбции мономолекулярного слоя на твердую поверхность. Сагив первым показал, что адсорбированные молекулы можно связать с полярной твердой поверхностью (например стеклянной) ковалентной связью. Силановой группой молекула пришивается к поверхности, а функциональные группы на другой стороне молекулы можно варьировать в зависимости от того, для чего потом будут использовать эту поверхность. В результате получается однородная по своему химическому составу поверхность с нужными свойствами. Такую технологию используют, в частности, в электронно-лучевой литографии — например, при производстве микросхем.

Нуццо и Аллара, которые разделят между собой вторую треть премии, показали, что аналогичной самосборкой можно создавать монослои и на поверхности золота. В таком случае ковалентное связывание происходит не через силановую группу, а через дисульфидные мостики, которые крепко пришиваются к золоту. Кроме того, ученые разработали метод контроля толщины и молекулярной структуры монослоя с помощью эллипсометрии и ИК-спектроскопии.

Джордж Уайтсайдс показал, что самосборку монослоев можно использовать для изменения геометрии твердых поверхностей с помощью микро- и нанолитографических методов. Используя селективное травление поверхности, частично защищенной монослоем молекул, на нее можно нанести заданный геометрический узор. В частности, Уайтсайдс — один из авторов метода мягкой литографии, в котором в нанотекстура наносится на поверхность эластомера (например полидиметилсилоксана). Сейчас эти методики стали рутинными и активно используются при создании биологических, химических и медицинских сенсоров, электронных устройств, солнечных элементов и микрофлюидных устройств.

Премию по нейронаукам присудили за открытие генетических механизмов, ответственных за заболевания, связанных с нарушением работы мозга. Премию присудили французскому генетику Жану-Луи Манделю (Jean-Louis Mandel) и американским ученым Гарри Орру (Harry T. Orr), Худе Зогби (Huda Y. Zoghbi) и Кристоферу Уолшу (Christopher A. Walsh). Мандель открыл мутацию X-хромосомы, которая вызывает синдром Мартина — Белл (или синдром ломкой X-хромосомы) — наследственное заболевание с симптоматикой, похожей на аутистическую. Ученый обнаружил, что мутация — результат не одиночных замен нуклеотидов, а многократного повторения тринуклеотида ЦГГ в гене FMR1. Сейчас такой механизм мутаций обнаружили более чем у 50 генетических заболеваний.

Орр и Зогби открыли ген ATAXN1, который вызывает спиноцеребеллярную атаксию первого типа. Аналогичный механизм экспансии повторов в этом гене приводит к нарушению в укладке белков, которое приводит к нарушению работы нейронов и в конечном итоге к смерти. Худа Зогби также открыла ген MECP2, изменение уровня которого приводит к синдрому Ретта. Кристофер Уолш обнаружил более 30 генов, мутации в которых приводят к генетическим заболеваниям, связанными с когнитивными способностями. Уолш описал гены, которые влияют на кору головного мозга и могут вызывать эпилепсию, аутистические и нейропсихиатрические нарушения. Кроме того, американский ученый описал соматические мутации, которые медленно копятся в процессе развития мозга.

В сентябре лауреаты получат свои премии на церемонии в Осло.

В 2020 году лауреатами премии Кавли стали Эндрю Фабиан — за исследования в области рентгеновской астрономии, Харальд Роуз, Максимилиан Хайдер, Кнут Урабан и Ондрей Криванек — за работы в области субангстремной микроскопии и химического анализа с помощью электронных пучков, а также будущие Нобелевские лауреаты Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян — за открытие рецепторов, которые реагируют на температуру и давление.

В 2018 году премию Кавли присудили за разработку технологии CRISPR-Cas9, исследования молекулярных и нейронных механизмов слуха и работы по теоретической, наблюдательной и экспериментальной астрохимии. В 2020 году лауреаты премии Кавли Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна также получили Нобелевскую премию.

Александр Дубов