суббота, 13 июня 2009 г.

Самоорганизация материи – мост между неорганической и живой природой


У стен ИАПУ ДВО РАН - организатора Международного симпозиума


В середине июля во Владивостоке прошел 16-й Международный симпозиум «Наноструктуры: физика и технология». Его организатором выступил Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН. Сопредседатель научного форума – лауреат Нобелевской и Ленинской премий академик Жорес Иванович Алферов в своем выступлении дал высокую оценку научным исследованиям ученых ДВО РАН в области нанофотоники и наноэлектроники и отметил, что их развитие в дальнейшем необходимо стимулировать.


Ж.И. Алферов


В работе симпозиума приняли участие ведущие российские ученые и научная молодежь, а также известные иностранные исследователи из стран Азиатско-Тихоокеанского региона, стран Европы, Азии и США.

О симпозиуме и нанотехнологиях мы беседуем с директором ИАПУ ДВО РАН членом-корреспондентом РАН, доктором физико-математических наук Юрием Николаевичем Кульчиным.


Ж.И. Алферов и Ю.Н. Кульчин


– Кем была выдвинута идея проведения международного симпозиума по наноструктурам во Владивостоке и как ее осуществляли?

– В прошлом году, во время работы предыдущего, 15-го Международного симпозиума «Наноструктуры: физика и технология», в Новосибирске, решался вопрос о месте проведения очередного симпозиума. Академик Александр Леонидович Асеев, директор Института физики полупроводников СО РАН, ныне – председатель Сибирского отделения РАН, спросил, не будет ли от нас предложений. На совещании также присутствовал ученый секретарь ИАПУ ДВО РАН, доктор физико-математических наук Николай Геннадьевич Галкин. Мы быстро посовещались и решили – «вытянем». Так что при закрытии симпозиума Жорес Иванович Алферов – академик, лауреат Нобелевской и Ленинской премий, вице-президент РАН, председатель Комиссии РАН по нанотехнологиям, председатель президиума Санкт-Петербургского научного центра РАН, директор Физико-технического института имени Иоффе РАН, объявил место проведения следующего симпозиума – Владивосток.


Открытие Симпозиума в зале администрации Приморского края


Конечно, если бы у нас не были развиты исследования по наноструктурам и нанотехнологиям, такого предложения не поступило бы. Заметьте, что в ДВО РАН из пяти признанных и финансируемых Министерством образования и науки Российской Федерации научных школ две находятся в ИАПУ. Эти школы, моя и Виктора Григорьевича Лифшица, которой сейчас руководит член-корреспондент РАН Александр Александрович Саранин, занимаются исследованиями в области нанофотоники, физики поверхности твердых тел и физики полупроводниковых наноструктур.

Важность этого решения для ИАПУ трудно переоценить. Сейчас, когда транспортные расходы велики, мы не можем себе позволить отправить значительное число молодых, перспективных исследователей для участия в серьезных научных мероприятиях. Но благодаря проведению симпозиума во Владивостоке даже студенты, аспиранты, молодые научные сотрудники получили возможность познакомиться с уровнем исследований в мире (а к нам съехались ведущие ученые из пятнадцати стран) из первых рук. Обычно, в совещаниях такого ранга принимают участие 3-4 наших сотрудника, а в этот раз от института был представлен 21 доклад.

Подготовка симпозиума заняла почти год, и это была непростая работа. Например, в виду значительной удаленности Владивостока от центральных регионов, нам надо было решить вопрос с частичной компенсации транспортных расходов ряду участников, которые обратились к нам за помощью. Это большие деньги, но мы их нашли. В результате к нам приехали ученые из всех ведущих центров по нанофизике и нанотехнологиям. В ходе подготовки к симпозиуму мы решали и другие возникающие проблемы и, мне кажется, неплохо справились с его организацией.

Здесь, во Владивостоке, родилась и новая традиция. Симпозиум получил свой символ – рынду, судовой колокол, который в дальнейшем будет возвещать об открытии и завершении работы очередного симпозиума.


Рождение новой традиции


– Уже известно, где будет проходить следующий симпозиум?

– При подведении итогов работы Жорес Иванович сказал, что до сих пор место проведения симпозиумов смещалось с запада (Санкт-Петербург) через Сибирь (Новосибирск) на Дальний Восток. Пришла пора поменять направление вектора на противоположное, поэтому следующим городом предложен Минск. Надеюсь, что 5-6 докладов, характеризующих достижения института за год, мы сможем представить в Минске.

– Что такое нанотехнологии: нечто совершенно новое или ученые уже давно работают в этой области, используя другие названия, например, молекулярная биология, туннельная микроскопия и так далее?

– Нанотехнологии охватывают самые разнообразные процессы, устройства и области знаний. Нанотехнологии не ограничивают область изучения, название говорит лишь о линейных размерах объектов, определяющих функционирование приборов и свойства материалов: 1 нанометр равен 10-9 метра. Здесь и ферментативный катализ, и квантовая электроника, и создание моноатомных пленок, антибиотиков и многое другое. Можно отметить расплывчатость самого термина, не соответствующую научной традиции, для которой характерно стремление к четкости определений.

Туннельный микроскоп, созданный в начале 80-х годов прошлого века – прибор замечательный. Действительно, ведь до его появления еще никому не удавалось разглядывать поверхность с такой неслыханной детальностью – атом за атомом. Или появившийся несколько позже прибор нового поколения, названный атомным силовым микроскопом, в котором, в отличие от туннельного микроскопа сканирование исследуемого образца происходит не по «поверхности постоянного туннельного тока», а по «поверхности постоянной силы», что значительно расширило возможности исследователей при изучении наноразмерных объектов.

Что касается молекулярной биологии, то уже со второй половины 20-го века она использует методы, которые можно с полным основанием называть нанобиотехнологическими. Направленный синтез лекарственных соединений, избирательно воздействующих на функционально-активные участки молекул определенных белков или нуклеиновых кислот, установление молекулярных механизмов действия биологических макромолекул, создание метода, позволяющего копировать определенные участки генов, – вот далеко не полный перечень достижений «наномасштабных» технологий, основанных на знании структурных и термодинамических параметров биомолекулярных конструкций.

Выступая на заключительном заседании, Жорес Иванович отметил, что наряду со сложившимися направлениями в этой широкой области исследований и технологий, такими как физика наноструктур, наноэлектроника, наноматериалы, нанобиотехнология, нанодиагностика, на Дальнем Востоке возникло новое междисциплинарное научное направление. Это направление связано с исследованиями белковых соединений выделенных из уникальных морских объектов, с целью создания новых материалов, перспективных для использования в нанофотонике и физике полупроводниковых наноструктур. Его уникальной особенностью является объединение усилий физиков, биологов, химиков, биохимиков, математиков. В нужное время, в нужном месте появилась идея, сплотившая вокруг себя ведущих ученых ДВО и СО РАН из разных институтов. Всем нашлась работа: математики строят модели, физики исследуют на своем уровне свойства, явления, которые протекают в этих объектах, химики отслеживают изменения их строения и состава, биохимики разбираются в работе белков, биологи изучают, как эти объекты живут, рассматривают их генетические особенности.


В конференцзале Президиума ДВО РАН


При этом Жорес Иванович указал на высокий научный уровень наших специалистов, отметил большое число молодых талантливых ученых. Ему понравилось, что наша молодежь ведет научные дискуссии, не страшась высоких титулов оппонента. Эти ребята стали кандидатами наук в 25-26 лет и некоторые из них успешно работают над докторскими диссертациями.


Напутствие молодым


Высококвалифицированные специалисты и современное научное оборудование, как, например, запущенный недавно в ИАПУ уникальный трехчастотный фемтосекундный лазер дают возможность достичь отличных результатов. Поэтому особое внимание мы уделяем вопросам оснащения совершенной приборной базой.

Помимо бюджетного финансирования мы стараемся зарабатывать деньги на хоздоговорах, грантах, целевых программах и т.д. Большую часть заработанных средств мы пускаем на закупки оборудования. Такая политика приносит плоды. Уровень наших исследований, как отмечают российские и зарубежные коллеги очень высок.

– На страницах «Дальневосточного ученого» нередко высказывалось мнение, что наука у нас в стране не востребована. Сейчас говорят о развитии наноиндустрии, коммерциализации последних научных достижений. Это модная тема, как когда-то высокотемпературная сверхпроводимость, холодный термояд или экономика уже сформулировала запрос науке?

– Я считаю, что государство на данном этапе делает то, что от него требуется. В стране есть понимание, что заниматься нанотехнологиями необходимо. Приняты важные стратегические решения и выделены средства для того, чтобы начать двигаться вперед. Например, указом президента создан национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» для ускоренного внедрения в производство научных разработок, проведения полного инновационного цикла научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, включая создание промышленных образцов, по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации: «Индустрия наносистем и материалов» и «Энергетика и энергосбережение», осуществления координации научной деятельности по реализации президентской инициативы «Стратегия развития наноиндустрии», выработки принципов построения и функционирования национальных исследовательских центров. В прошлом году федеральным законом создана «Российская корпорация нанотехнологий» для реализации государственной политики в сфере нанотехнологий. Эту задачу она решает, выступая соинвестором в нанотехнологических проектах. Корпорация участвует в создании нанотехнологической инфраструктуры, такой как центры коллективного пользования, бизнес-инкубаторы и фонды раннего инвестирования. Для поддержки финансируемых проектов реализует научные и образовательные программы, а также популяризирует нанотехнологические исследования и разработки. Насколько грамотно выстраивается технологическая политика? Я бы оставил такие оценки специалистам в данном вопросе, которые понимают, как ее продвигать с точки зрения экономической выгоды.

Встреча с губернатором Приморского края С.М. Дарькиным


Процитирую высказывание Ж.И.Алферова о том, что когда английского физика Майкла Фарадея спросили, что же дадут государству его исследования в области электричества, великий ученый ответил: «Налоги». Это действительно так. Появилась и развилась промышленность, основанная на использовании электричества, возрасли занятость населения в производстве, их уровень жизни и потребления и, конечно же, государство получило налоги, которые смогло использовать в интересах своих граждан. В наше время Ж.И. Алферов награжден Нобелевской премией за развитие полупроводниковых гетероструктур. Для обывателя звучит чересчур заумно, но каждого из нас окружают эти самые гетероструктуры в быту или на работе, в мобильных телефонах и лазерных принтерах и многих других известных всем аппаратах и устройствах. Так что мнение о невостребованности науки не разделяю.

Например, несмотря на высокую активность ученый в конце прошлого века, высокотемпературной сверхпроводимости не удалось стать технической реальностью. Управление сверхпроводящим состоянием сулит фантастические возможности для создания эффективных систем производства, накопления и передачи энергии на большие расстояния, сверхмощных генераторов, высокоскоростного транспорта на магнитной подушке, мощных магнитных систем, необходимых для осуществления термоядерного синтеза, ускорителей элементарных частиц, сверхбыстрых ЭВМ и чувствительных диагностических устройств, способных реагировать на мельчайшие отклонения в психическом состоянии человека. К сожалению, пока у образцов, демонстрирующих сверхпроводимость при 100 К, величина критического тока в сто раз ниже, чем необходимо для систем, генерирующих, аккумулирующих и транспортирующих электрический ток, при создании транспорта на магнитной подушке или в ЯМР-томографах.

– Какие из областей нанотехнологии Вы считаете особенно интересными?

– При использовании традиционных способов ультраминиатюризации «сверху вниз», когда мелкие объекты создаются из более крупных путем физического дробления, мы получаем наночастицы самых разных размеров и формы. Соответственно их свойства также разбросаны в некотором диапазоне значений. Наиболее эффективный способ получения наномолекул – управляемая самоорганизация, или самосборка. Он предполагает формирование структуры «снизу вверх», то есть химическую сборку из малых блоков, способных избирательно соединяться друг с другом, в более крупные. Современные технологии позволяют «собирать» объекты из молекул разного сорта и размера с определенными физическими характеристиками. Этот путь нам подсказала сама природа, демонстрируя самосборку наноразмерных биомолекул, к которым относятся белки. При создании каких-либо микроструктур для электронных устройств физики манипулируют частицами неорганического материала – это сложный и долговременный процесс. А биомолекулы могут сами «собираться» в нужную структуру, притом в необходимом количестве. Например, огромные перспективы открываются если создать самособирающиеся и самопротягивающиеся провода из биомолекул с нанесенными на них золотыми шариками. Появились даже попытки выполнить элементы памяти нового поколения для вычислительных машин из молекул ДНК. А недавно были разработаны «управляемые» био-нанотрубки с открытым или закрытым концом, которые могут быть применены в качестве контейнера для внутриклеточной доставки лекарств или генов.

Мал золотник, да дорог!


Большое значение придается работам по компьютерному моделированию наносистем. К настоящему времени удалось получить доказательства того, что расчеты, основанные на результатах фундаментальных исследований, позволяют моделировать процессы наномира, предсказывать физические свойства наносистем, прогнозировать создание новых нановеществ с заранее заданными свойствами.

Более того, у нас появилась возможность управлять не только молекулярным, но и кристаллическим строением веществ. Физические свойства подобного рода систем могут резко отличаться, несмотря на внешнее сходство блоков-молекул, входящих в их состав. Кроме того, многие типы наномолекул хорошо растворимы, что важно при разработке технологий их использования, например, нанесения на различные подложки. Методика исследований физических параметров и свойств такого рода молекулярных систем достаточно хорошо разработана.

Изменяя строение и состав структурных наноэлементов, исследователи придают неорганическим веществам новые механические, электрические, магнитные свойства. Есть еще одна ветвь, очень важная и протяженная, но мало разработанная – на стыке биологии с физикой, химией и математикой. Это область, успехов в которой можно достичь, только объединив усилия ученых разных специальностей. Нанотехнологии дают возможность моделировать устройства, которые по своим функциям и сложности сравнимы с биологическими объектами. «Измельчение» до наноразмеров сулит в перспективе и уже сегодня дает немало интересных и полезных результатов. Но говорить о структуре органического вещества на языке, аналогичном тому, которым описывается строение неорганической материи, мы пока не умеем. Мы не знаем ни простейших элементов строения живой ткани, ни способов их организации, ни принципов взаимодействия между различными иерархическими уровнями. Исследователям предстоит понять, что объединяет элементы структуры живой материи в единое целое, а потом создать язык для описания этой взаимосвязи, который будет оперировать понятиями, сходными с теми, на которых строится современная кристаллография. Для его создания надо совершить качественный скачок – перейти к осмыслению общих закономерностей строения органических веществ.

04 августа 2008 года

Комментариев нет:

Отправить комментарий