Nobel z fizyki: za nadprzewodnictwo i nadciekłość

W tym roku Nagrodę Nobla z fizyki dostali: Aleksiej A. Abrikosow (Rosja, a ostatnio USA), Witalij Ginzburg (Rosja) oraz Anthony J. Leggett (USA) za "pionierski wkład do teorii nadprzewodnictwa i nadciekłości".

Fot. Alexander Zemlianichenko / AP Vitaly L. Ginzburg

Nagrodą Nobla nagrodzono fizyków, których teorie pomogły okiełznać dwa niezwykłe zjawiska przyrody: nadprzewodnictwo (w materiałach, w których prąd elektryczny płynie bez żadnych strat energii) oraz nadciekłość (w cieczy, która nie ma lepkości, a więc każdy wir trwa w niej wiecznie).

Jak płynie wieczny prąd

Zacznijmy od elektryczności, bo to ona stała u podstaw rewolucji technicznej XX wieku. W powietrzu, w wodzie i na ziemi siła tarcia hamuje wszystko, co się porusza. Podobnie prąd elektryczny, czyli strumień elektronów, napotyka opór w metalach, nawet dobrych przewodnikach. Opór sprawia, że energia prądu się rozprasza, a materiał, przez który płynie prąd, rozgrzewa się. Dobrze o tym wie każdy, kto trzymał w ręce rozgrzane prądem żelazko. Dzięki temu również świeci rozżarzone do białości włókno żarówki.

Niespodziewanie na początku XX wieku holenderski fizyk Heike Kamerlingh-Onnes odkrył, że istnieją materiały, w których opór elektryczny całkowicie znika. W odróżnieniu od zwykłych przewodników (np. miedzi, aluminium) nazwano je nadprzewodnikami, a samo zadziwiające zjawisko - nadprzewodnictwem. W pętli wykonanej z nadprzewodnika prąd będzie krążył wiecznie, bo jego energia nie ulegnie rozproszeniu.

Praktyczne równania

Przez niemal pół wieku bezskutecznie starano się wyjaśnić to zjawisko. Dopiero na początku lat 50. rosyjscy uczeni Lew Landau i Witalij Ginzburg przedstawili równania, które świetnie radziły sobie z opisem własności nadprzewodników. Wprawdzie nie tłumaczyły one, co takiego dzieje się z prądem w mikroskali - na poziomie elektronów (to dopiero później było zasługą tzw. teorii BCS nagrodzonej Noblem), ale teoria okazała się nieoceniona dla praktycznego wykorzystania nowych materiałów w technice i badaniach naukowych.
Niecałą dekadę później Aleksiej Abrikosow wykorzystał ich metodę do opisu tzw. nadprzewodników II rodzaju, których "cudowne" własności nie znikają nawet w silnych polach magnetycznych. Dzięki temu nadprzewodniki zaczęły robić wielką karierę w badaniach naukowych. Konstruuje się z nich silne elektromagnesy, w które są wyposażone najlepsze laboratoria - np. akceleratory i detektory cząstek elementarnych. Korzysta się z nich w medycynie - w szpitalnych tomografach, skanerach rezonansu jądrowego i dosłownie wszędzie tam, gdzie potrzeba silnego pola magnetycznego.

Cieplej, coraz cieplej

Do niedawna nadprzewodniki musiały być schładzane ciekłym helem, który skrapla się w temperaturze minus 269 st. C. W połowie lat 80. okazało się, że nadprzewodnictwo nie jest ograniczone wyłącznie do temperatur zbliżonych do zera bezwzględnego. Odkryto materiały ceramiczne, które nadprzewodzą w wyższych temperaturach. Dziś trwa pogoń za takimi nadprzewodnikami, w których prąd będzie płynąć wiecznie w temperaturze takiej, jaka panuje na powierzchni Ziemi. Dlaczego? Można byłoby z nich zbudować linie przesyłowe, które dostarczą prąd z elektrowni do domów i fabryk bez kosztownych strat (dziś po drodze traci się średnio 30 proc. energii). Mogłyby powstać elektromagnesy, które nie będą wymagały nieustannego i kosztownego chłodzenia, a z ich pomocą - rozpowszechnić pociągi na poduszkach magnetycznych i tanie szpitalne tomografy. Dalszej miniaturyzacji uległaby też elektronika (dziś procesory nie mogą mieć zbyt małych rozmiarów, bo przegrzewają się).

Stare teorie, których podstawy ułożyli m.in. Ginzburg i Abrikosow, są wciąż używane, również do opisu nadprzewodników nowego typu i mogą przyczynić się do prawdziwej rewolucji technologicznej. I pewnie dlatego spotkały się z uznaniem Komitetu Noblowskiego. Można też podejrzewać, że nadrabia on opóźnienia w nagradzaniu często kiedyś niedocenianych osiągnięć naukowców, którzy pracowali w b. ZSRR.

Jak wiecznie wiruje ciekły hel

Jury noblowskie jednocześnie nagrodziło Anthony'ego J. Leggetta za teoretyczny opis zachowania się ciekłego helu-3 w niskiej temperaturze. Ale co ma wspólnego ciekły hel z wiecznie płynącym prądem? Wbrew pozorom wiele.

Gdy hel zostanie schłodzony prawie do zera bezwzględnego, z cieczy podobnej do tych, jakie znamy na co dzień, zmienia się w ciecz kwantową. Traci lepkość, co oznacza, że gdy np. wiruje, nie traci energii na wewnętrzne tarcie i może poruszać się bez końca. Jego cieniutka warstewka przykleja się i ślizga po powierzchni, może np. "wypełznąć" po ściankach z naczynia. Deszcz z nadciekłego helu swobodnie przeciekałby przez parasole, bo przeciska się on nawet przez najmniejsze dziurki rzędu zaledwie dziesiątek mikrometrów. Rosyjski fizyk Piotr Kapica, który po raz pierwszy zaobserwował to dziwne zjawisko, nazwał je nadciekłością. Okazuje się przy tym, że atomy nadciekłego helu-3 zachowują się podobnie jak elektrony prądu, które bez straty energii płyną w nadprzewodniku.

Anthony J. Leggett nie był pierwszym, który zaproponował taką teorię dla nadciekłego helu-3 (jedną z pierwszych prac na ten temat napisali prof. Zygmunt Galasiewicza z Wroclawia i V.L. Pokrowski z Moskwy - zdradza nam prof. Józef Spałek z Uniwersytetu Jagiellońskiego). - Leggett był jednak tym, który właściwie zinterpretował pierwsze obserwacje naciekłości w helu-3 i podał kryteria jej obserwacji przy pomocy metody (znowu!) jądrowego rezonansu magnetycznego - wyjaśnia porf. Spałek. Czyżby w tym roku Komitet Noblowski postanowił nagrodzić, zarówno z medycyny jak i fizyki, przede wszystkim tych, którzy albo korzystali z metody rezonansu jądrowego albo przyczynili się do jej upowszechnienia?
Nadciekły hel-3 jest "poligonem doświadczalnym", na którym fizycy sprawdzają, jak zachowują się duże grupy oddziałujących cząstek. Można więc np. badać, co zachodziło we wszechświecie ułamek sekundy po Wielkim Wybuchu albo stan materii we wnętrzu gwiazd neutronowych.

Tegoroczną nagrodę Nobla za osiągnięcia w dziedzinie fizyki podzielą pomiędzy siebie dwaj naukowcy, którym zawdzięczamy odkrycie pozwalające na miniaturyzację twardych dysków. Można powiedzieć, że Nobel jest podziękowaniem za możliwość korzystania z wielu elektronicznych gadżetów.

Tegoroczni laureaci Nobla z dziedziny fizyki to 69-etni Albert Fert (Université Paris-Sud - Francja) oraz 68-letni Peter Grünberg (Forschungszentrum Jülich - Niemcy).

Naukowcom tym zawdzięczamy odkrycie zjawiska gigantycznego magnetooporu (inaczej GMR). Mówiąc najprościej odkryli oni, że w bardzo cienkich strukturach składających się z naprzemiennie ułożonych warstw żelaza i chromu, atomy zachowują się w specyficzny sposób. Dzięki temu możliwe jest zapisanie na mikroskopijnym obszarze informacji, która nadal będzie możliwa do bezbłędnego odczytania.

Godny uwagi jest fakt, że odkrycia Ferta i Grünberga zostały bardzo szybko wykorzystane w praktyce i doprowadziły do powstania wielu urządzeń sprzedawanych dziś na całym świecie. GMR opisano w 1988 roku, a już 9 lat później firma IBM udostępniła pierwsze urządzenie wykorzystujące to zjawisko.

Naukowcy podkreślają, że odkrycie GMR dało również początek całej nowej odmianie elektroniki - spinotronice. Odkrycie, które wykorzystuje struktury o bardzo małych rozmiarach, można też uznać za pionierskie w dziedzinie nanotechnologii.

Laureci prestiżowej nagrody przyznawanej przez Królewską Szwedzką Akademię Nauk podzielą pomiędzy siebie 1,5 mln USD. Nagroda zostanie odebrana 10 grudnia w czasie ceremonii w Sztokholmie.

Albert Fert stwierdził, że cieszy się nie tylko z nagrody, ale również z faktu dzielenia jej ze swoim kolegą. Grünberg przyznał natomiast, że nagrody można było się spodziewać, ale i tak był zaskoczony decyzją Akademii. Nobla z fizyki pochwalił również prezydent Francji Nicolas Sarkozy, który nazwał go ukoronowaniem europejskiej nauki.

Nobel za "powierzchowną" chemię 2007-10-10

Tegoroczną nagrodę Nobla z dziedziny chemii otrzymał prof. Gerhard Ertl z berlińskiego Towarzystwa Maxa Plancka, badacz reakcji zachodzących na powierzchni ciał stałych.

Gdy mała cząsteczka zderza się z powierzchnią ciała stałego, może się po prostu odbić lub też przyczepić do niej (ulec adsorpcji). Jeśli dojdzie do adsorpcji, przyczepiona cząsteczka może się rozpaść na mniejsze cząsteczki lub na atomy. Zaadsorbowane cząsteczki mogą również zmieniać chemiczne właściwości powierzchni lub reagować z innymi zaadsorbowanymi cząsteczkami.

Przykładem takiego, zachodzącego na powierzchni, procesu mogą być rdzewienie żelaza i inne rodzaje korozje, funkcjonowanie ogniwa paliwowego czy samochodowego katalizatora, który oczyszcza spaliny. Dzięki reakcjom na powierzchni ciał stałych wytwarzane są nawozy sztuczne. Maleńkie kryształki lodu w stratosferze są podłożem reakcji niszczącej ozon. Wiedza o procesach zachodzących na powierzchni jest też niezbędna w przemyśle półprzewodnikowym - przy wytwarzaniu mikroprocesorów lub kart pamięci.

Właśnie osiągnięcia i potrzeby przemysłu elektronicznego skierowały w latach 60-tych minionego wieku uwagę naukowców na zjawiska zachodzące na powierzchni ciał stałych. Jednym z pierwszych, którzy docenili wagę zagadnienia był właśnie Gerhard Ertl. Posługiwał się sprzętem umożliwiającym przeprowadzanie reakcji w warunkach niemal doskonałej próżni, by obserwować zachowanie pojedynczych atomów i cząsteczek na powierzchni niezwykle czystego metalu. Prace te wymagały zastosowania wielu wyrafinowanych technik, a jakiekolwiek zanieczyszczenia zakłóciłyby pomiary.

Badania Ertla położyły podstawy zarówno dla dalszych odkryć teoretycznych, jak i zastosowań przemysłowych. Zajmował się on m.in. odkrytą już w roku 1913 reakcją Habera-Boscha, która dzięki użyciu żelaza jako katalizatora pozwala wytwarzać sztuczne nawozy na bazie amoniaku wytwarzanego z azotu obecnego w powietrzu. Interesował się także utlenianiem tlenku węgla na powierzchni platyny (taka reakcja zachodzi w samochodowych katalizatorach).

Nobel z chemii za samochodowe katalizatory

NAGRODZONO PIONIERA CHEMII POWIERZCHNI CIAŁ STAŁYCH

Gerhard Ertl, zbodywca tegorocznego Nobla z chemii, odbiera telefon z gratulacjami PAP/EPA/RAINER JENSEN

Niemiecki naukowiec Gerhard Ertl za badania procesów chemicznych zachodzących na powierzchni ciał stałych otrzymał tegoroczną nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Jego odkrycia przyczyniły się m.in. do stworzenia samochodowych katalizatorów.

Dzięki badaniom Ertla, rozpoczętych już w latach 60. ubiegłego wieku, udało się lepiej zrozumieć, jak katalizatory w samochodach oczyszczają spaliny i jak zachodzi proces rdzewienia żelaza. Pozwoliły także na wyjaśnienie, jakie procesy zachodzą w atmosferze i w jaki sposób dochodzi do niszczenia powłoki ozonowej.

Profesor Lucjan Piela, chemik z Uniwersytetu Warszawskiego tłumaczy, że badana przez Ertla reakcja utleniania tlenku węgla na powierzchni platyny jest powszechnie wykorzystywana w procesie oczyszczania spalin w samochodach - pozwala zamieniać trujący tlenek węgla na dwutlenek węgla.

W swoich badaniach nad reakcjami zachodzącymi na powierzchni metali Ertl jako pierwszy zaobserwował, że w tych warunkach może zachodzić tzw. reakcja oscylacyjna - czyli taka, w której prędkość zachodzącej reakcji zmienia się w czasie. Reakcja raz zwalnia, raz przyspiesza.

- Możliwe są przy pewnych warunkach reakcje, produkujące pewne substancje, które, kiedy osiągną odpowiednie stężenie powodują, że zaczyna niszczyć się źródło wytwarzania tych substancji. I wtedy reakcja zwalnia. Po jakimś czasie te substancje zużywają się i następuje znowu proces ich tworzenia. Kiedy jednak ponownie robi się ich za dużo, zaczynają się zużywać - powiedział PAP prof. Piela.

Chemia powierzchni ciała stałego opisuje procesy, które zachodzą gdy cząsteczki gazu uderzają w ciało stałe. Jest to o tyle istotne, że wiele procesów we współczesnym świecie jest od nich zależnych. Dzięki pracom Gerharda Ertla udało się również ustalić metody badawcze pozwalające otrzymywać wiarygodne rezultaty w tej trudnej dziedzinie.

71-letni Ertl jest emerytowanym profesorem w Instytucie Fritza-Habera Towarzystwa im. Maxa-Plancka w Berlinie. Wykładał też na m.in. California Institute of Technology, Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley i Uniwersytecie Humboldta w Berlinie.

Decyzję ogłosił dziś w Sztokholmie Komitet Noblowski. Nagroda wynosi 10 mln koron szwedzkich, czyli około 1,54 mln USD.

Nobel za badania nad komórkami macierzystymi

CAPECCHI, EVANS I SMITHIES WYRÓŻNIENI W DZIEDZINIE MEDYCYNY

Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii otrzymali: Mario R. Capecchi, Martin J. Evans i Oliver Smithies za serię odkryć dotyczących komórek macierzystych oraz zjawiska rekombinacji DNA w komórkach ssaków.

Badania noblistów pozwoliły wyjaśnić podstawy rozwoju niektórych chorób o podłożu genetycznym, a także poznać wrodzone skłonności do zapadania m.in. na choroby nowotworowe, układu krążenia, cukrzycę.

Jak napisała w uzasadnieniu Komisja Noblowska, "nagrodę przyznano za wykorzystanie zarodkowych komórek macierzystych do modyfikacji genetycznych myszy, co pomogło zrozumieć udział genów w rozwoju zarodków, rozwoju organizmów dorosłych oraz w procesie starzenia się".

- Prace nad komórkami macierzystymi trwają co najmniej od 20 lat. To wielka obietnica medycyny, że będziemy mogli zastępować schorowane komórki przez komórki nowe - mówił w TVN24 dr Adam Kozierkiewicz z Uniwersytetu Jagiellońskiego. Dodał, że już teraz podejmowane są próby leczenia z pomocą komórek macierzystych, np. po zawale serca.

Zdaniem polskich specjalistów - prof. Wiesława Jędrzejczaka, prof. Leszka Kaczmarka i prof. Krystyny Domańskiej-Janik, tegoroczny Nobel z medycyny i fizjologiijest w pełni zasłużony. Ich badania pozwoliły bowiem stworzyćzwierzęce modele do badania wielu ludzkich chorób.

- Badania nad zarodkowymi komórkami macierzystymi, których efektem była technologia umożliwiająca zmiany w genach tych komórek stanowiły przełomowy moment dla rozwoju medycyny - ocenił w rozmowie z PAP Jędrzejczak, kierownik Katedry i Kliniki Hematologii, Onkologii i Chorób Wewnętrznych Centralnego Szpitala Klinicznego Akademii Medycznej w Warszawie.

Komórki macierzyste to taki rodzaj komórek, które mogą się przekształcać w komórki dowolnych tkanek, a także są zdolne do potencjalnie nieograniczonej liczby podziałów. Inaczej mówiąc - są nieśmiertelne i

samoodnawialne.

Nagrodą, która wynosi 10 mln koron szwedzkich (1,54 mln dolarów) podzielą się Amerykanin włoskiego pochodzenia Mario Capecchi, Brytyjczyk Martin Evans i Amerykanin Oliver Smithies.

Kolejny nobel za osiagnięcia w dziedzinie genetyki

- Od kilku lat w medycynie i najbardziej progresywnych dziedzinach nauki dominują osiągnięcia związane z genetyką. Dlatego kierunek tego wyróżnienia nie jest zaskoczeniem - stwierdził dr Kozierkiewicz. Dodał, że także ubiegłoroczna nagroda w dziedzinie medycyny została przyznana za odkrycia w genetyce.

Otrzymali ją Amerykanie - Andrew Z. Fire i Craig C. Mello za odkrycie mechanizmu interferencji RNA, które może mieć zastosowanie w terapii genowej i biotechnologii. Zjawisko interferencji RNA występuje w komórkach roślin, zwierząt i ludzi. Stanowi naturalny mechanizm obrony przed wirusami, reguluje aktywność genów.

Nagroda Nobla w dziedzinie medycyny jest tradycyjnie przyznawana każdego roku jako pierwsza spośród wszystkich dziedzin.

106 lat tradycji Nagrody Nobla

Nagroda Nobla to najbardziej prestiżowe międzynarodowe wyróżnienie, przyznawane m.in. za wybitne osiągnięcia naukowe. Liczy już 106 lat, a po raz pierwszy została przyznana 10 grudnia 1901 roku.

Pierwsze naukowe nagrody otrzymali wtedy: w dziedzinie fizyki - niemiecki uczony Wilhelm Roentgen, odkrywca promieni X i ich praktycznego zastosowania, w chemii - Holender Jacob Van Hoff, twórca nowoczesnej chemii fizycznej, w medycynie - niemiecki bakteriolog Emil Behring, twórca licznych surowic i szczepionek, m.in. przeciwko tężcowi i błonicy.

Nagrody Nobla wywarły ogromny wpływ na rozwój nauki światowej w XX wieku, podnosząc również prestiż środowiska naukowego. Nobliści byli postrzegani nie tylko jako wybitni badacze i genialni odkrywcy, ale także jako wielkie autorytety moralne.

Nagrodą premiowano - mimo różnych kontrowersji w doborze kandydatów - rzeczywiste osiągnięcia naukowe, w tym pionierskie prace związane m.in. z rozwojem badań nad elektrycznością i falami elektromagnetycznymi, atomistyką, promieniotwórczością, fizyką cząstek elementarnych, kriogeniką, nowymi teoriami kosmologicznymi i astronomicznymi.

Idea Alfreda Nobla przetrwała cały burzliwy wiek XX. W ciągu minionego stulecia kilka razy jednak nie przyznano nagród - z powodu działań wojennych, braku kandydatów lub uchybień formalnych. Nie było nagród medycznych w latach 1915-1918, 1925 i 1940-1942. W 1916 roku, a także w latach 1931, 1939 i 1940-1942 nie przyznano nagród z fizyki. W chemii nie nagrodzono nikogo w latach 1916-1917, 1919, 1924 i 1940-42.

W ciągu 100 lat istnienia Nagrody Nobla nie obyło się bez potknięć. Nie otrzymał nagrody, mimo wielokrotnego wysuwania jego kandydatury, francuski matematyk, przyrodnik i filozof Henri Poincarre, jeden z najwybitniejszych uczonych z przełomu XIX i XX wieku. Twórca teorii względności Albert Einstein dostał Nagrodę Nobla za marginalne w jego dorobku badania nad zjawiskiem fotoelektryczności.

Z polskich uczonych wyróżniono Noblem dwukrotnie Marię Curie-Skłodowską - raz z fizyki - wspólnie z mężem Piotrem Curie i Henri Becquerelem, i raz z chemii - za badania nad promieniotwórczością oraz odkrycie nowych pierwiastków: radu i polonu.

---