В 1982 году израильский физик Дан Шехтман посмотрел в электронный микроскоп и не поверил своим глазам. Металлический сплав, который он изучал, имел структуру с пятикратной симметрией. Это было невозможно — любой студент знает, что пятиугольниками нельзя замостить плоскость. Коллеги смеялись, руководитель выгнал из лаборатории. Через 29 лет Шехтман получил Нобелевскую премию.

Он открыл квазикристаллы — материалы, атомы которых выстраиваются в узоры из пятиугольников и десятиугольников, создавая структуру, которая никогда не повторяется.

В обычных кристаллах атомы упорядочены как плитка в ванной — повторяющийся узор из треугольников, квадратов или шестиугольников. Квазикристаллы нарушают это правило. Их структура квазипериодична — почти повторяется, но не совсем. Разные участки выглядят похоже, но идентичных нет.

Самое загадочное: положение одного атома определяет расположение других на огромном расстоянии, хотя они напрямую не взаимодействуют. Как атомы понимают, куда встать в такой сложной структуре без знания высшей математики?

Главная загадка: почему квазикристаллы вообще существуют? Почему атомы предпочитают эту странную структуру обычной кристаллической решётке?

Вэньхао Сан из Мичиганского университета с коллегами нашли ответ. Они применили метод функционала плотности (DFT) — стандартный для изучения кристаллов, но считавшийся невозможным для квазикристаллов. В обычных кристаллах достаточно проанализировать маленькую ячейку — остальное повторяется. В квазикристаллах каждый участок уникален.

Команда придумала метод "нанозачерпывания" — брали случайные куски квазикристалла от 24 до 740 атомов. Потребовались самые мощные в истории вычисления для твёрдых тел — больше квинтиллиона операций в секунду на экзафлопсных суперкомпьютерах.

Результат оказался революционным. Квазикристаллы термодинамически стабильны — их атомы находятся в энергетически выгодном состоянии. 30-гранные формы (ромбические триаконтаэдры), в которые складываются атомы, оказались "счастливой" конфигурацией — требующей минимум энергии. Квазикристаллы существуют просто потому, что это выгодно.

Сан называет квазикристаллы утконосами мира материалов — смесь свойств кристаллов и аморфных веществ. Млекопитающее, откладывающее яйца. Не лучше других материалов, но показывающее, насколько разнообразной может быть природа.

Она нашла способ создать бесконечный узор без повторов, используя только силы межатомного взаимодействия.

@vselennayaplus

Учёные из Барселоны впервые записали, как человеческий эмбрион внедряется в матку — в реальном времени и трёхмерном изображении. Оказалось, это удивительно агрессивный процесс, где эмбрион буквально пробуривается в ткань с немалой силой.

До сих пор изучение имплантации у людей ограничивалось статичными снимками отдельных моментов. Никто не видел процесс целиком. Исследователи из Института биоинженерии Каталонии (IBEC) совместно с репродуктологами из больницы Dexeus создали платформу, имитирующую среду матки.

Система использует гель на основе коллагена — того же жёсткого белка, что есть в сухожилиях и хрящах. К нему добавили белки, необходимые для развития эмбриона. Это позволило наблюдать процесс через флуоресцентную 3D-микроскопию и точно измерять прилагаемые силы.

"Мы увидели, что человеческие эмбрионы прокладывают себе путь в матку, применяя значительную силу", — объясняет руководитель исследования Самуэль Охоснегрос. "Эти силы необходимы, чтобы пробить богатую коллагеном ткань матки" и полностью интегрироваться с кровоснабжением матери.

Амели Годо, соавтор работы, добавляет: эмбрионы активно перестраивают окружающую среду. Они тянут матричную ткань, двигают и реорганизуют её, реагируя на механические сигналы извне. Команда предполагает, что естественные сокращения матки могут влиять на имплантацию — это динамическое взаимодействие двух систем.

Интересное различие обнаружили между видами. Эмбрионы мышей прикрепляются к поверхности матки, и ткань окутывает их, складываясь вокруг. Человеческие эмбрионы полностью проникают внутрь ткани и растут радиально изнутри наружу. Гораздо более инвазивный процесс. Впервые учёные количественно оценили, как именно эмбрион физически взаимодействует с маткой.

Почему это важно? Около 30% случаев бесплодия связаны с неудачной имплантацией. Понимание механики процесса может кардинально улучшить методы ЭКО. Врачи смогут оценивать качество эмбрионов по их "механической силе" и прогнозировать успешность имплантации.

@vselennayaplus

Космический корабль весом в грамм мчится к черной дыре на трети световой скорости. Фантастика? Астрофизик Козимо Бамби из Университета Фудань опубликовал в iScience детальный план такой миссии. И это может сработать!

Обычные ракеты не подойдут. Бамби подсчитал: чтобы разогнать корабль до десятой части скорости света, топлива понадобится больше массы всей видимой Вселенной. Решение? Нанокрафт — грамовый спутник с микрочипом и световым парусом площадью 10 квадратных метров. Мощные лазеры с Земли будут бомбардировать парус фотонами. За 17 минут малыш наберёт треть скорости света!

Куда лететь? Ближайшая известная черная дыра в 1560 световых годах — далековато. Но Бамби провёл расчёты: статистически ближайшая черная дыра должна прятаться в 20-25 световых годах. Просто мы её не нашли — 90% черных дыр одиночки, без звёзд-компаньонов.

Допустим, мы нашли дыру — что дальше? После разгона лазером зонд летит 60-75 лет. По прибытии разделяется: одна часть остаётся на дальней орбите, вторая ныряет к горизонту событий.

Три главных эксперимента, которые хочет поставить Бамби. Первый — проверка метрики Керра. Наблюдая орбиту второго зонда, можно измерить искривление пространства-времени. За 10 месяцев точность достигнет одной стомиллионной — в миллион раз лучше современных измерений!

Второй тест проверит существование горизонта событий. Если это настоящая черная дыра, сигнал падающего зонда будет бесконечно краснеть. Если экзотический "фаззбол" из теории струн — сигнал оборвётся резко.

Третий эксперимент: меняются ли фундаментальные константы в сильной гравитации? Зонд излучит фотоны от двух атомных переходов. Сравнив их красное смещение, поймаем изменение констант.

Вызовы огромны. Парус должен выдержать ускорение в 100 000 g. У черной дыры приливные силы разорвут его в клочья, поэтому второй зонд полетит без паруса.

Бамби напоминает: гравитационные волны тоже считали невозможными для обнаружения. Нашли через 100 лет. Тени черных дыр сфотографировали через 50 лет после того, как их сочли недостижимыми.

Те, кто запустит зонд, не доживут до результатов. Но разве это остановит человечество в попытке заглянуть за край реальности?

@vselennayaplus

Наша непостоянная рубрика “безумные исследования” возвращается с загадкой. Из чего бы вы сделали революционную зубную пасту? Из наночастиц? Графена? А вот учёные из King's College London решили иначе — они взяли обычную овечью шерсть!

Британские исследователи (ну а кто ещё?) извлекли из шерсти кератин — тот самый белок, который есть в наших волосах, ногтях и коже. Оказывается, это вещество при контакте со слюной формирует кристаллическую структуру, которая работает как строительные леса для зуба. Эти "леса" притягивают ионы кальция и фосфата, фактически имитируя натуральную эмаль.

Вот где начинается самое интересное. Фторид в обычной пасте просто замедляет разрушение зубов — как тормоза в машине, которая катится с горы. А кератиновая паста полностью останавливает кариес.

Сара Гамеа, первый автор исследования, объясняет: кератин не только эффективнее фторида, но и экологичнее. Его получают из биологических отходов — той же шерсти, которую всё равно выбрасывают. Никаких токсичных пластиковых смол, которые обычно используют стоматологи. Плюс результат выглядит натуральнее — кератин лучше имитирует естественный цвет зуба.

Применять чудо-средство можно будет двумя способами. Либо чистить зубы дома специальной пастой каждый день, либо раз в полгода приходить к стоматологу на процедуру с гелем. На рынке новинка появится через 2-3 года — исследователи уже ищут партнёров для производства.

Кстати, да — подойдут и человеческие волосы. Представляете, пришли в парикмахерскую, а вам: "Оставить волосы для зубной пасты?"

@vselennayaplus