Найти черную кошку в темной комнате помогут установки класса “мегасайенс”

Сергей Юрьевич, известно, что ваши технологии уже используются реальным сектором экономики. Расскажите об исследованиях с использованием синхротронных технологий, которые проводит ваша лаборатория? С чего все началось?

В определенный момент была запущена федеральная научно-техническая программа развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры, а также методов поддержки данных направлений. Это стало критически важным, поворотным моментом, так как перед российскими учеными была поставлена задача создания разработок в области материалов, перспективных структур различного рода, начиная от электронной компонентной базы для микроэлектроники вплоть до биоподобных, природоподобных технологий, медицины, например с лечением онкологических заболеваний. Соответственно, реализация данной задачи требовала установления значительной инфраструктуры, существенная и уникальная часть которой относится к установкам класса "мегасайенс", иначе говоря — крупным научным установкам. Строительство таких установок стало возможным благодаря национальному проекту «Наука и университеты». Поддержка исследований и комплексных работ в этих областях важна, чтобы не только сохранять их на должном уровне, но и опережать мировой уровень разработок по многим вопросам и направлениям.

В качестве примера я могу привести наш проект. Он выполняется Воронежским государственным университетом (головным исполнителем), Национальным исследовательским центром "Курчатовский институт", двумя федеральными исследовательскими центрами в городах Сыктывкар и Ижевск, а также одним из крупнейших производителей изделий электронной компонентной базы в стране — «Воронежским заводом полупроводниковых приборов – Сборка». Развивающиеся сегодня компетенции и направления располагаются на всей цепочке от образовательных технологий и подготовки кадров (через фундаментальные исследования) до практического их применения. В нашем случае разработки направлены на подготовку совершенно уникальной инфраструктуры синхротронного центра в "Курчатовском институте". В установках класса "мегасайенс" есть так называемые исследовательские станции, уникальные и специфичные в определенных областях. Например, существует станция "НАНОФЭС", которая является уникальной и единственной в нашей стране, работающей в определенной области излучения такой мега-установки, как синхронный центр. Область ее работы определена характеристиками излучения в шкале электромагнитных волн — оно называется ультрамягким рентгеновским.

При синхротронных исследованиях, наверное, самым бесценным, что можно себе представить, является время, в течение которого мы можем использовать излучение. Научных, практических задач и фундаментальных исследований много, но зачастую некоторые из этих задач можно решать не с применением синхротронного излучения, а стандартными или продвинутыми, лабораторными методами. Оптимизация работы на установках класса “мегасайенс” позволяет выделить наиболее актуальные задачи, на которые мы можем направлять бесценное пучковое время — время использования синхротронного излучения.

Территориальное распределение позволяет точечно в тех или иных регионах прорабатывать необходимую методологию, экономя пучковое время. Научная группа Воронежского государственного университета имеет предметный опыт использования синхротронных технологий, а именно — конкретной работы на установках класса "мегасайенс" за рубежом. Суммарно предметный, практический опыт реализации тех или иных технологий, который у нас имеется благодаря исследованиям в Германии, США, Японии и Франции, составляет более полутора лет непрерывного эксперимента на синхротронах различных лабораторий и центров. И он, безусловно, стоит того, чтобы его имплементировать, развивать российские центры исследований и исследовательских компетенций.

Импортозамещение и освоение новых технологических или производственных компетенций, технологический суверенитет чрезвычайно важны для получения качественного продукта, соответствующего всем требованиям, которые есть на сегодняшний день. В данном случае необходимо понимать, что предприятия, с которыми мы работаем, являются предприятиями полного цикла — от разработок и проектирования до сбыта. Например, «Воронежский завод полупроводниковых приборов Сборка» занимается сборкой, и производством электронных компонент электроники, микро-, наноэлектроники — и это даже не единственная предметная область и задача, которой мы можем ограничиваться. Понимание природы материалов, которые используются, их фундаментальных основ, того, как эти материалы существуют, как они интегрируются в структуру и, в свою очередь, эта структура интегрируется уже в прибор, — является критически важной информацией, потому что иначе это поиски черной кошки в темной комнате. Особенно если ее там нет. И такие случаи встречаются вдоль и поперек. Если вы понимаете, какие свойства есть у материала, у структуры, если вы понимаете из чего состоит материал, и в связи с этим в чем состоят его свойства, понимаете фундаментальную причину проявления этих свойств, то вы понимаете, каким образом ими можно управлять, их можно оптимизировать и направить на решение важнейших задач со стороны производства и применения для общества. Это называется последовательностью фундаментальных, поисковых и наконец практически ориентированных исследований и разработок. Для этого нужно понимать, что происходит с материалом на самом глубинном уровне.

Мы фактически можем видеть атомы материала, как они окружены. С одной стороны, мы можем говорить о том, что это локальная атомная структура, локальные электронные свойства, с другой — мы также можем говорить, что это физико-химические свойства, то есть — и физические, и химические, причем на пространственно достаточно ограниченном, локализованном участке. Это позволяет не только объяснять свойства, но и прогнозировать то, как эти свойства можно улучшить на благо того или иного производства — такой запрос существует практически постоянно.

Например, дискретный полупроводниковой прибор, диод или транзистор — он же не существует сам по себе, он должен находиться в корпусе, который в свою очередь должен иметь определенное наполнение и собственные свойства, а также должен выработать определенное число циклов. При этом в какой-то момент изделие перестает работать. Почему? Этот вопрос принципиально важен для технологии и для того, будет это изделие продаваться, использоваться наконец, имея соответствующие характеристики, или нет. Применение возможностей наших исследований способно в конечном итоге продлить срок службы прибора, расширить его технические и эксплуатационные свойства. Это именно та задача, которая может прорабатываться нами вместе с коллегами, занимающимися непосредственно производством. Ряд технологий, которые есть у коллег, уже апробированы с точки зрения применения наших методов, как синхротронных, так и сопутствующих, выходящих на наиболее оптимальное использование бесценного времени установок класса "мегасайенс", которые нужны большому количеству ученых.

Добавлю также, что всю эту деятельность можно разделить на три крупных части: исследовательскую, инфраструктурную и образовательно-квалификационную. Первая часть — исследовательская — это, безусловно, новые материалы и объекты. Мы остановились на целой последовательности материалов для приборной компонентной базы для электроники и микроэлектроники, композиционных материалов различного назначения, перспективных биологических и природоподобных гибридных материалах. Кроме того, чтобы мы могли работать эффективно, важен инфраструктурный блок — то, когда мы можем использовать имеющуюся у нас приборную базу, в том числе распределенную территориально, географически, конечно же используемую для обеспечения максимальной эффективности синхротронных исследований. Ни в коем случае нельзя говорить об этих двух "больших китах", на которых стоит комплексная история проекта, без подготовки кадров, без разработки образовательных программ от повышения квалификации (например, чтобы коллеги на производстве знали, что возможно проводить исследования и отвечать на такие вызовы имеющимися у нас возможностями) до образовательных программ высшего образования.

Вернемся к экспериментам и технологиям, которые вы, возможно, уже изучали в рамках данного проекта. Каких результатов и, может быть, даже успехов вам уже удалось достичь?

Я приведу пример, который, наверное, в большей степени характеризует природоподобные технологии, и даже не просто природоподобные, а технологии именно природные. В косметических средствах и лекарственных препаратах, которые вы встречали, вы могли замечать такой материал, который называется ферритин. Он представляет собой биологическую белковую молекулу сферической формы с отверстиями в своем каркасе, и полую внутри. Если представить себе своего рода футбольный мяч — у нас есть поверхность, внутренняя полость, а в этой поверхности есть отверстия. Ферритины характерны как для клеток высших организмов, так и для бактериальных, например, клетки всем известной кишечной палочки — там этого белка достаточно много. В нашем университете группа молодого доктора биологических наук Сергея Антипова на сегодня отработала методику получения ферритина из бактериальных клеток. Когда мы подключились к этим исследованиям, стояла интересная задача. Дело в том, что одна из природных функций этих молекул, которые называются DPS (DNA-binded protein of starved cells – ДНК-связывающий белок голодающих клеток), заключается в том, что токсичные для клетки 2-валентные ионы железа эти молекулы накапливают, депонируют в своих внутренних полостях и окисляют до нетоксичного состояния, например, 3-валентного оксида железа. Это происходит путем того, что атомы железа, имеющие валентность 2, попадают внутрь полого «шарика» - молекулы, пока он не наполнится этими атомами изнутри. При этом происходит окисление атомов железа и формируется неорганическая наночастица внутри природной молекулы. Вопрос состоял в том, что наши коллеги-биофизики понимают размеры, и они крайне интересные — это очень современно и актуально. Размеры внешней части этой молекулы составляют около 10 нанометров. Что это такое? Это 10 в минус восьмой степени метра, то есть — одна стомиллионная часть метра. Это очень маленький объект.

Создающиеся внутри частицы формируются за счет заложенного самой природой свойства этой молекулы ровно до тех пор, пока не заполняется внутренняя полость. После этого частица просто существует сама по себе, и состоит из природной био-оболочки и неорганической частицы внутри. Но природа наша распорядилась таким образом, что биологические молекулы имеют одинаковый размер — как внешнего диаметра, так и внутреннего. И частицы, которые формируются внутри, что нам удалось показать исследованиями, опять-таки образуются фиксированного размера и фиксированного состава. Эти важные характеристики, размеры неорганической наночастицы и ее состав мы изучили и уточнили.

Далее давайте посмотрим на эти результаты с другой стороны. Имеющиеся сегодня технологии синтеза неорганических наночастиц необходимы для создания важных объектов для устройств памяти, для расчетных устройств, процессоров или любых других, где можно использовать их уникальные свойства. Это очень дорогая, сложная и зачастую даже экологически опасная задача — сформировать определенное количество этих наночастиц, при этом иметь и фиксированный размер, и фиксированный состав, и еще целый ряд свойств (например отсутствие агломерации – слипания). Но здесь нам помогает сама природа. Этот эксперимент можно сделать, так сказать в обычной пробирке.

То есть очень простым и эффективным путем можно получать неорганические наночастицы, абсолютно не затратно по сравнению с другими способами получения, используя природоподобные технологии. Еще интереснее оказалось, что данная частица сразу же упакована в "органический контейнер", который, безусловно, может использоваться (за счет своих свойств) для адресной доставки наночастицы именно туда, куда нам необходимо. Сейчас мы продолжаем работать в этом направлении и уже достигли определенных успехов, в том числе команда биофизиков в конце прошлого года в рамках реализации нашего проекта подготовила заявку на патент разработанного способа получения соответствующих наночастиц с известными и контролируемыми свойствами. Этих результатов нельзя было бы достичь без применения синхротронного излучения и исследований, проведенных с его помощью.

Для чего обычно применяются такие наночастицы?

Такие наночастицы можно применять в очень широких областях, так как фактически в реализации своих свойств она составляет активный элемент. Поговорим о свойствах. Что такое, например, оксид железа? Оксид железа достаточно легко может быть превращен в железо, а само железо является магнитным материалом. Любая передача информации основывается и может рассматриваться как двоичный код — сочетание 0 или 1. В электронных устройствах получение сигнала от одного девайса к другому, если говорить очень простыми словами, на этом и основано. Тем не менее заряд, который приходит из одной точки в другую, перенося при этом информацию, испытывает и сопротивление среды, а также находится под влиянием других серьезных внешних факторов. Это сказывается на скорости передачи и качестве обработки информации. Если мы говорим о том, что мы направляемся в сторону магнитных частиц, они имеют магнитную – спиновую составляющую. А переход спина из одного состояния в другое происходит мгновенно, без эффектов сопротивления среды и других. Именно поэтому все, что касается таких спинтронных технологий, обусловлено в первую очередь скоростью срабатывания и значительно малой энергозатратностью. То есть — мы тратим гораздо меньше энергии для того, чтобы у нас состоялся эффект переключения и не испытываем никакого сопротивления. Это очень выгодно, в том числе экономически. Перспективы реализации данных частиц здесь, на мой взгляд, очень высокие. А дальше уже надо работать.

Если, например, организация из реального сектора экономики хочет воспользоваться вашими исследованиями и разработками, что ей необходимо сделать? Как можно прийти к вам со своим заказом, просьбой, предложением, идеей разработки? С чего начинается процесс сотрудничества для предприятий и коммерческих компаний?

Фундаментальный процесс начинается с идеи. Причем эта идея может появиться как у исследовательского центра, вуза или института, так и у производства. Самое главное, чтобы коллеги друг друга слышали и слушали, понимали. Что касается более конкретных примеров и результатов в рамках нашего проекта, нами разработана целая серия мероприятий — мы их называем предметно ориентированными, — направленных на непрерывный процесс популяризации современных исследовательских и диагностических компетенций, возможностей, в первую очередь на ознакомление, различного уровня обучение. Наша команда понимает, что при тех или иных практических применениях наших знаний могут возникать определенные вопросы, на которые у нас есть ответы и объяснения. Данные программы разработаны и уже апробированы на целом ряде организаций Воронежской области. Мы проводим демонстрационные встречи, на которых можно узнать, что такое исследования на установках класса "мегасайнс" и какие результаты с их помощью могут быть получены. Причем наша команда даже старается оптимизировать эту историю, говоря, что изучение, очень высокоточное, той или иной составляющей, детали, материала системы, или важного для производства элемента можно выполнять здесь, в нашей лаборатории. Связь между учеными и предприятиями реального сектора экономики должна существовать постоянно. Кроме того, мы часто приглашаем коллег к нам, знакомим с возможностями центра коллективного пользования научным оборудованием, в том числе уникальными установками университета, который может отвечать за решение очень широкого круга задач, возникающих при производстве — не только микроэлектроники, но также медицинского, пищевого и сельскохозяйственного направлений. У предприятий существует целый круг задач, а у нас — соответствующие компетенции и технологии, которые мы стараемся не только постоянно развивать, но и рассказывать простыми словами о сложных вещах. Самым простым ответом на вопрос как с нами связаться, как воспользоваться имеющимися компетенциями и возможностями будет, вероятно, такой. Воронежский государственный университет является классическим университетом, крупнейшим в регионе, включая научные школы с мировой известностью. Это дает значительный круг творческих коллективов в стране и за рубежом, с которыми проходят постоянные процессы интеграции, взаимодействия. Проводя мероприятия по ознакомлению и популяризации мы приглашаем коллег как минимум ознакомится с демонстрационными и презентационными материалами, которые постоянно обновляются. Все они содержаться на сайте университета www.vsu.ru. Безусловно и у нашего проекта, который весьма успешно, во всяком случае по нашему мнению, реализуется в рамках Национального проекта «Науки и университеты», Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019-2027 годы, есть сайт, который, мы стараемся регулярно обновлять (https://www.sr-fntp-vsu.ru/). Мы ждем и открыты для всех! В названии проекта мы постарались уложить всю логику его реализации: «Распределенная инфраструктура высокоточных методов диагностики в ультрамягкой рентгеновской области синхротронного излучения для функциональных материалов и наноразмерных структур, включая био-нано-гибридные, для перспективных технологий и технических систем: от образовательных технологий через фундаментальные научные исследования к практическому применению».

Ознакомительные или популяризационные мероприятия проводятся только для представителей крупных организаций или, например, школьные группы тоже могут к вам попасть?

Да, это, кстати, еще одна небольшая компонента — примерно аналогичная задача такого комплексного проекта — работа с потенциальными кадрами, со школьниками. Очень важно показывать и говорить нашему подрастающему поколению, чем сегодня является прорыв в современных технологиях и знаниях.

Самое главное простыми и доступными для ребят словами объяснить и показать наш опыт, объяснять имеющиеся сложные даже для подготовленного ученого знания. Лучше не абстрактно говорить о том, что есть крупная научная установка, а именно показать наглядно синхротронный центр: фактически он имеет размер футбольного поля, но вы говорите о результате его работы - лучике размером менее миллиметра, который и дает всю информацию. Вплоть до того, что с помощью таких исследований мы можем изучить отдельный атом — и у нас есть подобные результаты, потому что это та предметная область, с которой мы работаем. Нами разработан набор соответствующих материалов, например демонстраций, способы их применения, в том числе интерактивно, мы постоянно совершенствуемся! Именно визуализация, образ доступный, ясный и живой, достоверный, на мой взгляд, может сподвигнуть школьников уже сейчас внимательнее изучать, например, физику и химию, а также пойти в будущем в большую науку.

Сегодня Россия взяла курс на инновационный прорыв, на научно-технологический суверенитет страны в целом и строительство установок класса “мегасайенс”. Это все стало возможным в том числе благодаря национальному проекту “Наука и университеты”. Считаете ли вы, эти меры помогают эффективно развиваться российской науке? Достаточна ли поддержка государства в данной сфере?

Существующие меры поддержки со стороны государства, со стороны национального проекта "Наука и университеты" беспрецедентны и в масштабах нашей страны, и, наверное, в какой-то степени и в международной практике. Да, джентльмены не говорят о деньгах, но, тем не менее, уровень конкретных мер, доведенных до реализаторов, до исполнителей, в ряде случаев даже превышает известные практики, примеры которых реализуются и применяются за рубежом.

Как говорят мои научные учителя, с особой теплой благодарностью хотелось бы, пользуясь случаем поблагодарить профессоров ВГУ Эвелину Павловну Домашевскую и Владимира Андреевича Терехова, предела совершенству нет. Основная задача — это определение и поддержка всего комплекса, так и наиболее прорывных и востребованных на сегодня технологий. В данном случае прекрасным примером является федеральная научно-техническая программа развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на период до 2027 года и дальнейшую перспективу. Компетенции и получаемые результаты являются определяющими практически во всех направлениях технологического развития России —например, в медицине, в электронике. Все это связано исключительно с пользой для нашего общества, чтобы оно было и высокотехнологичным, и энергоэффективным, и быстрым, и соответствующим образом развивалось. Выстроенная последовательность поддержки безусловно показывает значительную эффективность.

Подготовила Екатерина Вронская