Νομπέλ με κατασκοπεία, χρώμα και GPS

Η «κατασκοπεία» του νανοκόσμου, η δημιουργία του μπλε LED και το GPS του εγκεφάλου διέπρεψαν στη Στοκχόλμη

ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΗ:  12/10/2014 05:45

Δίοδοι εκπομπής μπλε φωτός

 

Τα Νομπέλ των θετικών επιστημών (Φυσική, Χημεία) και της Ιατρικής που δόθηκαν την εβδομάδα που πέρασε αποκαλύπτουν ότι η Σουηδική Ακαδημία Επιστημών ακολουθεί πιστά τις οδηγίες της διαθήκης του Αλφρεντ Νομπέλ: οι ανακαλύψεις είναι και πρωτοποριακές και χρήσιμες.

Ετσι, ο 75χρονος Βρετανός Τζον Ο'Κιφ (John O'Keefe) μοιράζεται το βραβείο Ιατρικής με το ζεύγος των Νορβηγών Μέι-Μπριτ Μόζερ (May-Britt Moser) και Εντβαρντ Μόζερ (Edvard Moser) για την ανακάλυψη του «GPS του εγκεφάλου».

Τα Νομπέλ Φυσικής δόθηκαν σε τρεις Ιάπωνες, τον 85χρονο Ισάμου Ακασάκι (Isamu Akasaki), τον 60χρονο Σούτζι Νακαμούρα (Shuji Nakamura) και τον 54χρονο Χιρόσι Αμάνο (Hiroshi Amano) για την ανακάλυψη του αποδοτικού μπλε led.

Τέλος, τα Νομπέλ Χημείας μοιράστηκαν οι τρεις επιστήμονες που συνέβαλαν στην ανακάλυψη του νανοσκοπίου. Πρόκειται για τον 54χρονο Αμερικανό Ερικ Μπέτσιγκ (Eric Betzig), τον 52χρονο Ρουμανογερμανό Στεφάν Χελ (Stefan Hell) και τον 61 ετών Αμερικανό Γουίλιαμ Μέρνερ (William Moerner).

ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ
Τοπογραφία στον εγκέφαλο
«Θα πάτε ευθεία, στην πρώτη διασταύρωση θα κάνετε δεξιά και σε περίπου πενήντα μέτρα θα δείτε τα σκαλιά. Θα τα ανεβείτε και στο πλάτωμα θα δείτε δύο σπίτια. Το αριστερό είναι αυτό που γυρεύετε».

Την ώρα που διαβάζατε αυτές τις γραμμές ο εγκέφαλός σας ήταν σε θέση να καταλάβει τις οδηγίες για την ανεύρεση του υποτιθέμενου σπιτιού στην κορυφή της σκάλας. Ηταν επίσης σε θέση να γνωρίζει ότι βρισκόσασταν καθισμένοι στην αγαπημένη σας πολυθρόνα ή στο συνηθισμένο τραπέζι στο καφενείο της γειτονιάς σας. Και ακόμη μπορούσε να ξέρει προς ποια κατεύθυνση θα έπρεπε να κινηθείτε για να βρείτε τους φίλους σας που περίμεναν στην πλατεία.

Τζον Ο’Κιφ, Sainsbury Wellcome Center, University College του Λονδίνου

Ολα αυτά που μας έρχονται τόσο φυσικά είναι εφικτά χάρη σε ένα σύστημα που οι επιστήμονες ονομάζουν «GPS του εγκεφάλου». Τίποτε δεν ήταν γνωστό για το σύστημα αυτό ώσπου στα τέλη της δεκαετίας του 1960 ένας αμερικανοβρετανός ψυχολόγος, ο Τζον Ο'Κιφ (John O'Keefe), αποφάσισε να λύσει το μυστήριο του πώς αντιλαμβανόμαστε τη θέση μας στον χώρο. Με τη βοήθεια ενός συστήματος που του επέτρεπε να παρακολουθεί την ενεργότητα μεμονωμένων εγκεφαλικών κυττάρων στον ιππόκαμπο αρουραίων που είχαν την ελευθερία να κινούνται ελεύθερα σε έναν χώρο, εντόπισε τα κύτταρα θέσης. Παρατήρησε δηλαδή πως κάθε φορά που ένας αρουραίος βρισκόταν σε μια θέση, ενεργοποιούνταν ένα συγκεκριμένο κύτταρο. Το γεγονός αυτό απεδείκνυε ότι ο εγκέφαλός μας δεν κατέγραφε απλώς την οπτική πληροφορία αλλά δημιουργούσε έναν χάρτη του περιβάλλοντός του.

Μέι-Μπριτ (Κέντρο Νευρωνικών Υπολογιστών  Πανεπιστημίου Τρόντχαϊμ) και ο Εντβαρντ Μόζερ (Ινστιτούτο Συστημικής Νευροεπιστήμης Kavli)

Τα κύτταρα θέσης όμως δεν συνιστούν GPS αλλά μόνο έναν εσωτερικό χάρτη. Χρειάστηκε να περάσουν πάνω από τρεις δεκαετίες για να ολοκληρωθεί το παζλ του συστήματος πλοήγησης του εγκεφάλου. Αυτή τη φορά η λύση ήρθε από ένα ζεύγος νορβηγών νευροβιολόγων, του Εντβαρντ και της Μέι-Μπριτ Μόζερ (Edvard και May-Britt Moser). Το 2005, εργαζόμενοι και αυτοί με αρουραίους, παρατήρησαν ότι συγκεκριμένα κύτταρα του ενδορινικού φλοιού του εγκεφάλου ενεργοποιούνταν όταν τα πειραματόζωα καλούνταν να περάσουν μέσα από πολλαπλές τοποθεσίες τοποθετημένες σε ένα εξαγωνικό πλέγμα. Τα κύτταρα αυτά, τα οποία ονομάστηκαν «κύτταρα πλέγματος», αποτελούν το δεύτερο βασικό συστατικό του GPS, το οποίο για να ολοκληρωθεί απαιτείται και η ενεργοποίηση άλλων κυττάρων του ενδορινικού φλοιού: πρόκειται για κύτταρα τα οποία αναγνωρίζουν τα όρια ενός χώρου (π.χ. δωματίου, περιβόλου κ.τ.λ.)  και τον προσανατολισμό της κεφαλής.

Με άλλα λόγια, τα κύτταρα θέσης του ιπποκάμπου, τα κύτταρα πλέγματος και άλλα κύτταρα του ενδορινικού φλοιού είναι απαραίτητα για «να δημιουργεί ο εγκέφαλος τον χάρτη του χώρου που μας περιβάλλει και να βρίσκουμε τον δρόμο μας σε ένα περίπλοκο περιβάλλον», όπως σημειώθηκε στην ανακοίνωση της επιτροπής των βραβείων που αποφάσισε να δώσει το μισό στον Τζον και το υπόλοιπο μισό από κοινού στο ζεύγος Εντβαρντ και Μέι-Μπριτ Μόζερ.

Ι.Σ.

ΧΗΜΕΙΑΣ
Στο «νανοσκόπιο»
Υπήρχε μια «προφητεία» που έδενε τα χέρια των οπτικών εδώ και ενάμιση αιώνα: Το 1873, ο γερμανός οπτικός Ernst Karl Abbe κατέδειξε ότι στα μικροσκόπια υπάρχει ένα όριο μεγέθυνσης πέραν του οποίου όλα φαίνονται θαμπά, λόγω της διάχυσης του φωτός. Το όριο αυτό είναι περίπου το μισό του μήκους κύματος του φωτός, δηλαδή γύρω στα 0,2 μικρόμετρα. Το πρόβλημα ξεπεράστηκε με την δημιουργία των ηλεκτρονικών μικροσκοπίων, τα οποία ωστόσο προαπαιτούν τον τεμαχισμό του εξεταζόμενου αντικειμένου σε φέτες. Αρα, είναι αδύνατη η παρατήρηση με αυτά ζώντων μικροργανισμών. 

Στέφαν Χελ, Ινστιτούτο Βιοφυσικής Χημείας Max Planck στο Γκέτινγκεν

Το 1990, ένας Ρουμάνος γερμανικής καταγωγής πήρε το διδακτορικό του από το Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης, με θέμα την αμφισβήτηση ακριβώς της «προφητείας του Abbe». Η εργασία του ήταν λαμπρή, αλλά το επιστημονικό κατεστημένο της Γερμανίας σκανδαλίστηκε από τις αιρετικές του σκέψεις. Ετσι, ο νεαρός Στέφαν Χελ (Stefan Hell) κατέφυγε στο φινλανδικό Πανεπιστήμιο του Τούρκου, σε θέση ερευνητή. Εκεί, το 1993, ξεφυλλίζοντας ένα βιβλίο Κβαντικής Οπτικής, έπεσε πάνω σε μια  φράση-κλειδί για το επόμενο βήμα του: «διεγερμένη εκπομπή» (stimulated emission). Ρίχτηκε στα πειράματα με μικροσκόπια φωσφορικής καταγραφής κυττάρων και την επόμενη χρονιά δημοσίευσε σε επιστημονικό άρθρο τη λύση του: ένα «νανοφακό» σάρωσης των κυττάρων. Η μέθοδός του, ονόματι STED (διαχωρισμός μέσω διεγερμένης εκπομπής), προϋπέθετε την κλασική εισαγωγή φωσφορούχων αντισωμάτων στο εξεταζόμενο κύτταρο και τη διέγερσή τους με ακτίνα λέιζερ, αλλά ταυτόχρονα τη συνδύαζε με εκπομπή άλλης ακτίνας λέιζερ που «έσβηνε» τον φωσφορισμό όλων πλην εκείνων που βρίσκονταν σε μια κεντρική περιοχή νανομετρικών διαστάσεων. Με τον τρόπο αυτό - και έπειτα από πολλές σαρώσεις του όλου κυττάρου, με αναβοσβήματα του νανοφακού - ο Hell διατεινόταν ότι θα μπορούσαμε να διακρίνουμε χωρίς θόλωμα στη νανοκλίμακα, ξεπερνώντας το όριο διακριτότητας που είχε θέσει ο Abbe.  

Επιστρέφοντας στη Γερμανία το 2000, μπόρεσε να αποδείξει στην πράξη ότι είχε δίκιο, με την για πρώτη φορά ευκρινή απεικόνιση ενός βακτηρίου E.coli.

Γουίλιαμ Μέρνερ, Πανεπιστήμιο Στάνφορντ

Ο δεύτερος βραβευθείς με το Νομπέλ Χημείας 2014, ο Αμερικανός Γουίλιαμ Μέρνερ (William Esco Moerner), είναι ο άνθρωπος που «έστρωσε το δρόμο» για τον Hell: To 1989, όταν εργαζόταν στο ερευνητικό κέντρο της IBM στην Καλιφόρνια, ήταν ο πρώτος επιστήμονας που κατόρθωσε να μετρήσει την απορρόφηση φωτός από ένα και μοναδικό μόριο. Οκτώ χρόνια αργότερα, το 1997, ο Moerner ανακάλυψε ένα είδος «φωσφορίζουσας πράσινης πρωτεΐνης» - από αυτές που παίρνουμε από τις θαλάσσιες μέδουσες - την οποία μπορούσε να… αναβοσβήνει κατά βούληση. Εφτιαξε ένα ζελέ με τέτοιες «αναβοσβήνουσες πρωτεΐνες», διατάσσοντάς τες σε αποστάσεις μεγαλύτερες των 0,2 μικρόμετρων (του ορίου του Abbe) και απέκτησε ένα «πλέγμα με λάμπες που αναβόσβηναν ελεγχόμενα», σε μοριακή κλίμακα.  

Ερικ Μπέτσιγκ, Ιατρικό Κέντρο Howard Hughes

Ο τρίτος βραβευθείς, ο Αμερικανός Ερικ Μπέτσιγκ (Eric Betzig), εργαζόταν στα Bell Laboratories την εποχή που ο Stefan Hell σκαρφιζόταν τον «φωτοφακό» του, αλλά δεν έτυχε να διαβάσει το άρθρο του. Η δική του ιδέα ήταν ότι το θόλωμα θα έφευγε αν τμήματα των εξεταζόμενων μορίων φωσφόριζαν με διάφορα χρώματα. Δεν μπόρεσε όμως να την υλοποιήσει, οπότε το 1995 εγκατέλειψε απογοητευμένος την ερευνητική καριέρα του. Πέρασαν δέκα χρόνια δουλειάς σε μηχανουργείο μέχρι να τύχει να δει από κοντά τις αναβοσβήνουσες πρωτεΐνες του Moerner. Ηταν όλες πράσινες, αλλά μια νέα ιδέα τον τριβέλισε: Μήπως η διαφορά ανάγνωσής τους μπορεί να επιτευχθεί απλά με διαφορετικό χρονισμό αναβοσβησίματος; Ενα έτος μετά, το 2006, το περιοδικό Science δημοσίευσε εργασία του Betzig για το «μικροσκόπιο μονού μορίου» (SMM), το οποίο αποδείκνυε πειραματικά το ορθό της σκέψης του: Από ένα σάντουιτς πολλαπλών φωτογραφήσεων των σταδιακά διεγειρόμενων πρωτεϊνών, είχε συνθέσει μια πρωτοφανή σε διακριτότητα νανοφωτογράφιση της μεμβράνης των λυσοσωμάτων.  

Από το έργο των τριών αυτών αιρετικών προέκυψε μια γενιά «νανοσκοπίων» που μας επιτρέπουν πια να βλέπουμε ξεκάθαρα τη ζώσα ύλη, χωρίς όρια.

Τ.Κ.

ΦΥΣΙΚΗΣ
Από το 4 στο 50. Το άλμα με το μπλε φως
Τα βραβεία Νομπέλ στη Φυσική κάποιες χρονιές αφήνουν τον άνθρωπο που δεν έχει εξειδικευμένες γνώσεις στο θέμα κάπως αμήχανο, αφού δεν μπορεί να συλλάβει τη σπουδαιότητα για τον πλανήτη της εργασίας των βραβευμένων. Αυτή τη χρονιά πάντως κάποιο... φως φάνηκε στον ορίζοντα. Διότι από το 1879 που ο Thomas Edison παρουσίασε τη λάμπα με το θερμαινόμενο νήμα με μια φωτεινή απόδοση 16 lumen/Watt, οπότε εκμεταλλευόταν μόλις το 4% της δαπανώμενης ενέργειας, και από το 1900 με τη λάμπα φθορισμού και τον υδράργυρο με τα 70 lumen/Watt, φθάσαμε σήμερα στις διόδους λευκού φωτός με 300 lumen/Watt και την εκμετάλλευση του 50% της παρεχόμενης ενέργειας. Και αυτό το οφείλουμε στην υπομονή και την επιμονή των κ.κ. Nakamura, Akasaki και του φοιτητή του τότε Amano.

Από αριστερά: Σούτζι Νακαμούρα, Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, Σάντα Μπάρμπαρα - Ισάμου Ακασάκι, Πανεπιστήμιο Ναγκόγια - Χιρόσι Αμάνο, Πανεπιστήμιο Ναγκόγια

Οπως έχει σωστά αποδοθεί με λίγες λέξεις, στις φωτεινές  διόδους τύπου LED έχουμε την πιο άμεση μετατροπή, αφού από τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος καταφέρνουμε να παράγουμε φως. Από το 1950 περίπου ήταν γνωστό πως μπορούσες να συνενώσεις δυο κρυστάλλους με διαφορετικό, όπως λεγόταν, «ντοπάρισμα». Στον έναν είχες άτομα που εύκολα μπορούσαν να αφήσουν ένα ηλεκτρόνιο να φύγει και στον άλλον άτομα που παρουσίαζαν ένα κενό, μια οπή, όπως επικράτησε να λέγεται, έτοιμη να το δεχτεί. Εφαρμόζοντας την κατάλληλη τάση έσπρωχνες στα σύνορα των δυο διαφορετικών περιοχών τα ηλεκτρόνια και τις οπές, έβρισκαν ο ένας τον άλλον και ταυτόχρονα από κάποια ενέργεια που απελευθερωνόταν από τη σύζευξη αυτή έπαιρνες φωτεινή ενέργεια με φως στην περιοχή από το ερυθρό ως το πράσινο. Ελειπε όμως το ορατό κομμάτι των μπλε ακτίνων.

Τρεις δεκαετίες, ως τις αρχές του '90, δούλευαν οι ιάπωνες ερευνητές κυρίως για να φτιάξουν τους κατάλληλους κρυστάλλους και αν παρατηρήσει κάποιος σήμερα σε τομή τις μικροσκοπικές αυτές διόδους θα δει ότι έχουν φθάσει να αποτελούνται από έξι διαφορετικά στρώματα τοποθετημένα επάνω σε ένα έβδομο από τριοξείδιο του αργιλίου ενώ για όλα αυτά βοήθησαν και οι προχωρημένες γνώσεις στο τέλος του προηγούμενου αιώνα από την Κβαντική Μηχανική. Ολα αυτά για να μπορούν να συναντώνται ηλεκτρόνια και οπές σε μια ζώνη στενότερη από μερικά εκατομμυριοστά του μέτρου σε ελεγχόμενες συνθήκες. Ετσι όμως στα μέσα της δεκαετίας του '90 το μπλε φως από τις νέες διόδους ήταν πραγματικότητα. Και για να καταλάβουμε την τεράστια οικονομική σημασία αυτού του γεγονότος, αρκεί να αναφέρουμε ότι ο Nakamura πήρε για ανταμοιβή από την ιαπωνική εταιρεία όπου εργαζόταν μπόνους για αυτό μόλις  200 δολάρια και έπειτα από μήνυση που τους έκανε το 2001 ζητώντας 195 εκατομμύρια δολάρια, συμβιβάστηκαν το 2005 στα 8 εκατομμύρια δολάρια.

Προς το παρόν, στις σημερινές «μπλε διόδους» μια ακτίνα μπλε φωτός προσπίπτει σε μια απειροελάχιστη φωτοευαίσθητη επιφάνεια που διεγείρεται και εκπέμπει λευκό φως. Ηδη στα φώτα στα κινητά τηλέφωνα, στις ταμπλέτες, στους φορητούς υπολογιστές, στις τηλεοπτικές συσκευές, στους δίσκους μπλου ρέι, σε λέιζερ συσκευές υπάρχει η μπλε ακτίνα. Η συνέχεια πιστεύεται ότι θα είναι τρεις ακτίνες, από ερυθρό, πράσινο και μπλε, που θα δίνουν μαζί λευκό φως. Επίσης συνθέσεις κρυστάλλων από αργίλιο, γάλλιο, άζωτο, που δίνουν διόδους του τύπου AlGaN/GaN θα παράγουν εύκολα κατευθυνόμενες ακτίνες υπεριώδους για την αποστείρωση του πόσιμου νερού και την παραγωγή φωτεινής ενέργειας σε σύνδεση φωτοβολταϊκών με διόδους χαμηλής ενέργειας σε περιοχές της Αφρικής που τα χρειάζονται όλα αυτά ακόμη και σήμερα. 

 

ΑΝΑΔΗΜΟΣΙΕΥΣΗ ΑΠΟ ΤΟ ΒΗΜΑ 14/10/2014