Лазер за миллиард: зачем Россия вкладывается в научные мегапроекты

30.01.2018 9:06 15

Лазер за миллиард: зачем Россия вкладывается в научные мегапроекты

МОСКВА, 30 января Научный директор Европейского рентгеновского луча на свободных электронах European XFEL, профессор Университета ИТМО Сергей Львович Молодцов рассказал, зачем Россия вложила крупные средства в эту установку, и объяснил, почему она способна совершить революцию в биологии, химии и других зонах науки и техники уже в ближайшие месяцы и годы.

В 2007 году Германия и ряд европейских стран приняли решение построить мощнейший рентгеновский лазер на свободных электронах XFEL, какой позволит наблюдать за движением молекул в режиме реального времени, получать высококачественные фотографии биологических объектный и прикоснуться к сокровенным, самым малым и быстрым затаеннам природы.

Проект European XFEL оценивается примерно в 1, 2 миллиарда евро, в нем участвуют 12 стран. Россия присоединилась к нему в июле 2009 не один месяца по инициативе Национального исследовательского органа Курчатовский институт, возглавляемого Михаилом Валентиновичем Ковальчуком. Институт также выступил координатором научных программ крупных исследователей. Россия выделяет на проект 306, 4 миллиона евро, и только за последние три года была перечислена почти треть этой суммы около 6, 5 миллиарда хрустов.

Первые эксперименты на XFEL были проведены в мае прошлого года, а в сентябре лазер официально начал свою научную карьеру. Как ожидают ученые, он поможет выполнить тысячи новых открытий как европейским, так и российским микробиологам, химикам и физикам.

— Сергей Львович, Нобелевская награда по химии была присуждена в этом году за создание метод cryoEM-микроскопии, способной решать подобные задачи, что и синхротроны, и лазеры на свободных электронах. Будут ли XFEL и другие источники излучения такого рода конкурировать с подобными установками?

— Следует сразу отметить, что Нобелевский местком серьезно рассматривает перспективу присуждения какой-либо из последующих премий по физике за создание рентгеновского лазера на свободных электронах. Еще в 1980 году Евгений Салдин и Анатолий Кондратенко из Института ядерной физики имени Будкера в Новосибирске первыми в мире предсказали, что лазеры на свободных фермионах могут действовать подобным образом.

Совсем недавно Евгений Салдин, который работает в настоящее время в Гамбурге, в Немецком синхротронном центре DESY, был приглашен на встречу с представителями Нобелевского комитета в Стокгольме, где он сказал о том, как рентгеновские лазеры были изобретены и созданы в реальности. Остается ждать результатов этой беседы.

Если сравнивать лучи на свободных электронах и криогенные микроскопы, и у тех и у других есть свои плюсы и минусы. И XFEL, и микроскопы могут получать фотографии клеток, белков и объектов неживой природы с атомным разрешением, однако имеется несколько серьезных отличий, какие позволяют нам говорить о том, что эти технологии добавляют друг друга, а не конкурируют между собой.

К примеру, для изучения клеток или каких-то живых организмов при помощи криоэлектронного микроскопа нам мастёвого заморозить их какой-либо другими словами, существенным образом преобразить их состояние. Этого не нужно делать, проводя опыты на XFEL.

Второе отличие заключается в том, как быстро мы можем получить результаты. Как правило, на заморозку образцов и их анализ под микроскопом уходит масса времени. Мы же можем напрямую изучать биологические объекты при помощи нашего луча, помещая их в аэрозоли и распыляя их. Благодаря этому нам удается одновременно изучить колоссальное количество молекул или объектов за то же время, которое наши коллеги тратят на получение фотографий одного биообъекта.

Вдобавок мы можем следить и за тем, что происходит с отдельными атомами и молекулами внутри учимых объектов с течением времени, исследовать динамику их движения, что невозможно для замороженных объектный внутри криоэлектронных микроскопов.

Конечно, недостатки есть: лазеры на свободных электронах безумно драгоценные установки, доступные далеко не каждому ученому. Сегодня во всем мире существует всего около 15 станций, на которых занимаются подобными измерениями, а микроскопы можно установить почти в каждом институте или университете.

В каком-нибудь смысле на микроскопах ученые осуществляют предварительные измерения, итоги каких потом дадут им возможность устроить более сложные и дорогостоящие опыты уже у нас, на лазерах. Иными словами, микроскопы осуществляют своеобразный естественный подбор, помогая самым интересным и серьезным проектам реализоваться.

— Директор DLS часто сравнивает свой ускоритель с Солнцем. С чем можно было бы сравнить неизгладимость и другие отличительные характеристики XFEL?

— Здесь достаточно сложно проводить параллели и сравнивать наши установки, так как размеры пучка на синхротронных гейзерах рентгена, как правило, в десятки тысяч раз больше, чем у лазеров на свободных электронах. Иными существительными, те миллиарды солнц, которые производят DLS и другие синхротроны, нужно сжать в десятки тысячи раз, чтобы получить фантастически маленькую, пикометровую точку света, в которой будет сосредоточена та же предприимчивость, что и в их большом луче.

Представьте себе, что у вас в руках лупа и вы хотите что-то спалить на поверхности дощечки. Вы фокусируете свет, уменьшая луч Солнца в несколько раз, и чувствуете, что дерево прогревается. Чем больше сжимается луч, тем горячее его пятно, и в конечном итоге он прожигает не только дерево, но и родий.

Нечто похожее происходит и в нашем случае, мы получаем пучок света такой яркости, что можем решать любые мыслимые и немыслимые задачи, как гиперболоид инженера Гарина из романа Алексея Толстого.

Еще наш лазер можно сравнить с Братской ГЭС, средняя мощность которой соответствует предельной мощности нашей установки в течение фемтосекундного (10 в минус 15-й степени секунды) импульса рентгеновского излучения. За какую-либо фемтосекунду свет проходит всего три десятых микрона, а за секунду он может пролететь междупутье между Луной и Землей.

Длина импульса определяет временное разрешение эксперимента, которое в нашем случае разрешает следить за химическими реакциями, изучать, например, то, как работают катализаторы, и целенаправленно их создавать, что было невозможно в рентгеновской области до XFEL.

К примеру, представьте себе, что вы пришли на футбольный матч, сели на свои места и увидели только начальный счет, 0:0, и итог матча скажем, 5:1. Вам утвердили всего два кадра и вы не знаете, как проходила игра. То же самое с синхротронами великолепный ускоритель ESRF с длиной импульсов света в тысячи раз большей, чем у XFEL, в постройку которого Россия тоже внесла значительные средства, разрешает нам увидеть начальное состояние вещества и конечный продукт реакции, которую мы изучаем. Все самое интересное остается за кадром.

— Были ли какие-то другие причины, забаррикадировавшие Россию вложиться в постройку этого лазера?

— Если мы сравним XFEL и ESRF, то можно выделить сразу несколько черт, выгодно различающих нашу установку. Первая из них, как я уже говорил, высокая яркость света. Для чего это важно? Представьте своему, что у вас жевать белковая молекула, обладающая относительно небольшими размерами, которую вы планируете изучить.

Вдобавок каждый наш импульс света, длящийся считаные мгновения, содержит в себе около триллиона или десяти трильонов фотонов. Импульсы, выковываемые синхротронами, содержат на семь порядков меньше частиц света, хотя они длятся гораздо длительнее. Это важно по той причине, что биологические объекты и молекулы нужно изучать очень быстро, пока они не разрушились под воздействием излучения.

К примеру, одну из недавних Нобелевских премий по биологии получили ученые, раскрывшие структуру рибосом при помощи синхротронов. Сам опыт был довольно простой, но им понадобилось 20 лет на то, чтобы собрать кристаллы из единичных молекул рибосом и получить достаточно четкую фотографию их структуры.

В нашем случае этого организовывать не нужно крупное число фотонов в наших импульсах позволяет нам получать все мастёвые данные всего за один выстрел по одиночной молекуле. Поэтому можно уже сейчас сказать, что мы расшифруем структуры большого числа веществ, в том числе структуру белков ВИЧ, которые сегодня остаются тайной для наших коллег-биологов.

И наконец, наша установка имеет еще два технологических плюса у нас огромная пропускная способность, мы можем измерять огромное число биологических образцов практически без какой-либо подготовки, и у нас, как я уже упоминал, гораздо более высокое временное разрешение.

С другой стороны, надо понимать, что пробиться к нам очень сложно, поэтому все предварительные эксперименты проводятся на ESRF и других синхротронах. По этой причине решение Курчатовского института и России поддерживать и тот и другой проект абсолютно правильно эти установки не заменяют, а дополняют кореш друга.

— Не опасаетесь ли вы, что дальнейшее ухудшение отношений между Европой и Россией может усложнить доступ нашим ученым к XFEL или лишить его в принципе?

— Наука это последнее, что умирает в отношениях между странами, за нее обычно держатся до самого последнего момента, когда в политике уже некуда ретироваться. Наука интернациональна по определению, на XFEL сейчас задействованы представители 45 национальностей, и немцев среди моих коллег лишь примерно 40%.

В нашем проекте светит много российских и итальянских ученых и есть даже представители таких государств, как, например, Доминиканская Республика. Я лично работаю в Германии уже больше 30 лет попал сюда по обменной программе между Ленинградским университетом и Свободным университетом Западного Берлина.

Этот договор о сотрудничестве был заключен во времена блокады Берлина, в самый разгар холодной войны. Тогда всем казалось, что внешнеполитическая обстановка накалена до предела, но наука продолжала существовать. И сегодня, несмотря на ухудшение отношений, мы постоянно контактируем и сотрудничаем с российскими коллегами.

В декабре 2017 года, к примеру, мы провели семинар на ускорительном комплексе BESSY в Берлине, посвященный 15-летию работы российско-германской лаборатории на этом комплексе. В нем участвовали представители Министерства науки и МИД Германии, а также посольства России.

Официальные посланники России и Германии приняли непосредственное участие в торжественном открытии мемориальной дощечки Вере Константиновне Адамчук, мастаку ЛГУ, ставшей первым крупным ученым, чья память шла почтена подобным образом на европейской ускорительной установке.

— Когда мы увидим первые значительные результаты с XFEL?

— Пока у нас светят две из шести станций, одна из которых занимается биологическими исследованиями, а вторая химическими и каталитическими реакциями, которые, к примеру, изучали коллеги из Южного федерального университета России.

Первые эксперименты, в том числе и с участием российских исследователей, были проведены уже 14 сентября 2017 года, практически сразу тут же после официального запуска лазера. В общей сложности XFEL успела воспользоваться примерно дюжина российских научных разновидностей, например ученые из Пущино, которые приезжали сюда и проводили здесь биологические исследования.

На прямой момент у нас есть много новых заявок от российских университетов. Приведу пример Университета ИТМО, исследовательские группы которого хотят изучать так называемые металло-органические комплексы, относительно нового класса ферментов. Коллеги из Петербурга, что важно, не только проводят исследования, но и создали центр, помогающий крупным ученым правильно готовить заявки для работы с XFEL.

— Планируете ли вы использовать лазер для необычных дилемм, к примеру, прохождения картин или исторических и палеонтологических артефактов?

— Конечно! Нам ничто не мешает проводить подобные эксперименты большое число и яркость импульсов помогает нам проникать на гораздо большую глубину в картины и артефакты, чем удается устроить синхротронам и ускорителям частиц. Это, например, очень важно при изучении картин часто художники создают какое-либо полотно, а потом записывают поверх него еще одну или даже две-три картины. Рентгеновские лазеры позволяют нам понять, что скрывается под каждым таким слоем, не разрушая их при этом, и для этого нужна и большая масштабность проникновения, и большая предприимчивость фотонов.

Подобные исследования культурного наследия умещаются в научную программу Курчатовского института под руководством Екатерины Борисовны Яцишиной, в которой мы готовы принять самое серьезное участие.

Источник

Следующая новость
Предыдущая новость

Все о криптовалюте Играйте в Азино777 Виртуальные игры казино Вулкан для настоящих игроков Красиво, эффективно, надежно: фасадные панели для облицовки домов Как работать и путешествовать по Америке

Последние новости