Сделать объект невидимым, изготовить самый острый в мире скальпель, создать пленки толщиной в один атом, вырастить самые большие в России алмазы – то, что было когда-то сказкой, сегодня становится реальным в Сибирском отделении Российской академии наук (СО РАН). Отделение насчитывает более девяти научных центров в Бурятии, Якутии, Тюмени, Омске, Томске, Новосибирске, Красноярске, Иркутске различных направлений научной деятельности. ТАЙГА.info расскажет о некоторых последних разработках сибирских ученых.

Протоны и нейтроны против рака

Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), кроме основной научно-исследовательской деятельности, занимается разработками, которые можно использовать в практических целях. Реальный шанс найти в скором времени широкое применение могут комплекс углеродной (протонной) терапии и установка для бор-нейтронозахватной терапии онкологических заболеваний.

Комплекс углеродной (протонной) терапии – технология использования протонных или ионных пучков для лечения онкологических заболеваний. В рамках этой технологии создается специальный пучок протонов или заряженных ионов, например, углерода, который направляется в тело пациента. Заданные параметры пучка обеспечивают локализацию высвобождения сосредоточенной в пучке энергии именно в той области, где находятся подверженные онкологическому процессу ткани. Таким образом, здоровые ткани в радиационном смысле нагружаются меньше. Реализуя соответствующую программу облучения, можно добиться такой ситуации, когда онкологически поврежденные ткани получат во много раз большую дозу облучения, чем окружающие здоровые ткани.

(Так выглядит схема комплекса для углеродной (протонной) терапии)

«Такие установки в России до сих пор существовали только в экспериментальном режиме и только в научно-исследовательских учреждениях в Москве, Подмосковье и Петербурге. За 40 лет существования через них прошли всего несколько тысяч пациентов, что в десятки или даже сотни раз меньше, чем фактическая потребность. В мире установки относительно интенсивно используются в медицинских клиниках Японии и странах Европы. То, что предлагает наш институт – это новый шаг в этом направлении, – рассказывает ученый секретарь ИЯФ, кандидат физико-математических наук Алексей Васильев. – Сделать качественный скачок в характеристиках этого комплекса помогают ионы углерода, которые позволяют лучше локализовать область облучения, и разработанная в Институте ядерной физики специальная технология электронного охлаждения ионного пучка. Она позволяет еще сильнее сжать пучок углерода и, как следствие, более качественно подготовить его для облучения пациента, превратив в своеобразный пучковый скальпель. Как результат, электронное охлаждение заметно расширяет возможности и повышает избирательность действия ионных пучков по сравнению со стандартными установками, где такая технология не используется».

Исследовательские работы по получению углеродного пучка и использованию электронного охлаждения ведутся в рамках межправительственного соглашения между Россией и Китаем. Сейчас идут проектные работы, в 2011 году начнется поставка элементов оборудования, а в 2014 году оборудование комплекса должно быть полностью смонтировано у заказчика. После этого начнутся пробные, а затем и клинические испытания в Китае.

Вторая разработка ИЯФ – установка для бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ) – избирательного уничтожения клеток злокачественной опухоли путем накопления в них стабильного изотопа бор-10 и последующего облучения опухоли потоком эпитепловых нейтронов. В результате поглощения нейтрона бором в клетке происходит ядерная реакция с большим выделением энергии, что приводит к ее гибели. Проведенные клинические испытания на медицинских реакторах показали, что БНЗТ позволяет лечить глиобластомы мозга и метастазы меланомы.

«Для широкого внедрения методики в клиническую практику необходимы компактные и недорогие источники эпитепловых нейтронов на основе ускорителя. Сейчас в институте ведутся работы по ускорительной и нейтронгенерирующей частям этой системы. Это важнейшие, ключевые этапы работы, ведь получение потока нейтронов требуемой интенсивности и энергетического спектра, в конечном счете, предопределит эффективность этой методики при лечении», – поясняет Алексей Васильев.

Впервые оригинальный ускорительный источник эпитепловых нейтронов был предложен институтом в 1998 году. В 2004 году началось сооружение пилотного образца источника, в 2006 году получено рабочее напряжение и зарегистрирован протонный пучок. В 2008 году была осуществлена генерация нейтронов, проведены первые измерения его спектра. «Уже сейчас можно сделать вывод, что с помощью разработанной методики получение требуемой плотности потока нейтронов необходимого энергетического спектра в научном и технологическом плане достижимо. Через два-три года этап научно-исследовательских работ должен закончиться, после него уже можно будет начать процедуру сертификации и сотрудничество с медицинскими учреждениями», – рассказывает Алексей Васильев.

Нанотехнологии и метаматериалы

Сделать объект невидимым, изготовить атомно острый скальпель, создать нанодвигатели, размеры которых меньше диаметра волоса – вот лишь немногое из многочисленных разработок Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН), который занимается развитием нанотехнологии – области прикладной науки на грани биологии, химии и физики, которая работает с объектами, размеры которых сравнимы с размером молекулы.

«Одной из задач нанотехнологии является формирование новых перспективных материалов со свойствами, не встречающимися в природе, например, метаматериалов, – рассказывает заведующий лабораторией физики и технологии трехмерных наноструктур ИФП СО РАН, доктор физико-математических наук Виктор Принц. – Если обычные материалы формируются природой из атомов и молекул, то метаматериалы формируются человеком из электромагнитных резонаторов, которые изготавливаются с помощью нанотехнологий. Собранные из таких резонаторов материалы обладают удивительными свойствами, в том числе отрицательным коэффициентом преломления (то есть законы распространения света в них существенно отличаются от известных законов). Например, если сделать из них оболочку и внутрь поместить какой-нибудь реальный объект, то и объект, и сама оболочка для человеческого глаза будут невидимыми».

Из метаматериала на основе плоских резонаторов за рубежом были изготовлены и в 2006 году продемонстрированы первые двумерные экраны невидимости, работающие в СВЧ (сверхвысокочастотной) области электромагнитного излучения. В Сибирском институте первыми в мире предложили и разработали технологию, с помощью которой можно формировать трехмерные наноэлементы с предельно малыми размерами – толщиной в одну молекулу. В настоящее время изготовлены элементы из пленок толщиной в один атом. Теперь в институте приступили к разработке трехмерных метаматериалов.

«Созданы метаматериалы, позволяющие вращать плоскость поляризации терагерцового излучения и управлять этим невидимым излучением. На очереди создание «плащей-невидимок» для терагерцового и оптического излучения», – рассказывает Виктор Принц. Также изготовлены лабораторные образцы мощных микро- и нанодвигателей, размеры которых сравнимы или много меньше диаметра волоса. Так, на одном квадратном сантиметре может быть изготовлено от 10 000 до 1 000 000 таких двигателей, суммарная сила которых может достигать нескольких тонн. Еще одно ноу-хау лаборатории – миниатюрные сверхбыстродействующие датчики и инструменты для микро-и нанохиругии отдельных клеток.

Уникальное производство нанопорошков

Развитием нанотехнологий более 17 лет занимаются Институт теоретической и прикладной механики им. С. А.Христиановича и Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. За это время научно-исследовательские институты бочками начали производить один из видов необычных порошков.

«Можно много говорить о нанотехнологиях, но для того, чтобы реально их создавать, надо иметь сырье, причем в больших масштабах, – рассказывает профессор, доктор физико-математических наук Сергей Бардаханов, – иначе всё будет заканчиваться на масштабе пробирок. Одним из основных видов такого сырья являются вещества в виде наноразмерных порошков, то есть порошков, состоящих из частиц очень малого размера. Мы поставили задачу – разработать технологию производства наноразмерных порошков в таких объемах, которые позволяли бы разработчикам, а затем и промышленникам, не задумываться о том, где взять порошки. Исходно малые размеры частиц, если удастся их сохранить, позволят потребителям порошков создавать материалы с новыми свойствами, или делать очень маленькие машины, или придавать новые свойства уже известным объектам».

В частности, производимые бочками нанопорошки диоксида кремния можно применять для создания различных композиционных материалов: герметиков, полимеров, лаков, красок, керамики, косметических средств и т. д.

(Порошок кремния покрытый диоксидом кремния под микроскопом)

«Например, известно, что большинство пластмасс наполняется какими-либо веществами в виде волокон, частиц и т. п. Добавление порошка из наночастиц в полимерную основу позволяет создавать огромное количество дополнительных связей в материале, в результате пластмассы могут стать более прочными или более устойчивыми к световым воздействиям. Очень давно нанопорошки применяются в косметике. Как можно сделать крем определенной вязкости, который содержал бы жидкость, например, оливковое масло? Достаточно добавить в жидкость нанопорошок, который будет тем сильнее загущать крем, чем мельче частицы. Перечисление только основных областей применения нанопорошка из диоксида кремния займет не меньше полстраницы, а мы еще можем делать порошки из других веществ: оксидов алюминия, магния, иттрия, гадолиния, металлов – тантала, молибдена, никеля, серебра, меди, полупроводника – кремния и т. д. И у каждого их них свои сферы применения, а в целом наш метод можно считать универсальным, хотя пока не все порошки мы делаем бочками», – рассказывает Сергей Бардаханов.

(Лаборатория по производству нанопорошка)

Во всех развитых странах развитие нанотехнологий хорошо финансируется, сообщает ученый. Несмотря на это, в мире очень мало компаний, которые занимаются производством нанопорошков широкой номенклатуры в больших объемах, а способ, разработанный в ИТиПМ и ИЯФ, является уникальным и весьма перспективным. «Наша задача состоит в том, чтобы нанотехнологии стали промышленными технологиями, – делится планами Сергей Бардаханов. – Сегодня потребность в нанопорошках огромная, однако у нас пока нет возможности наладить их постоянное производство, сейчас ведется поиск финансов для организации самостоятельного предприятия. Ни для кого не секрет, что статус научно-исследовательского института не позволяет содержать в штате маркетолога, менеджера по продажам, товароведа, зав. складом и многих других сотрудников, необходимых для регулярного коммерческого выпуска продукции, в том числе и такой высоко-технологичной как нанопорошки».

Самые крупные кристаллы алмаза в России

Самые крупные кристаллы алмаза в России умеют выращивать в Институте геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН. Институт занимается исследованием процесса роста кристаллов алмаза при высоких температурах и высоких давлениях (температура порядка 1 500 градусов и давление – 60 000 атмосфер) с 1978 года. И хотя подобную деятельность ведут научно-исследовательские лаборатории таких фирм, как DeBeers, Sumitomo Electric Industrial, General Electric, в сибирском институте разработана и успешно используется уникальная аппаратура высоких давлений БАРС (Беспрессовый Аппарат Разрезная Сфера) и на сегодняшний день выращены самые крупные кристаллы алмаза в России. «В ячейке высокого давления при экстремальных условиях крошечный кристаллик алмаза постепенно растет и на седьмые сутки достигает массы шесть карат», – рассказывает заведующий лабораторией процессов минералообразования в условиях высоких давлений ИГиМ СО РАН Юрий Пальянов.

(В такой установке выращиваются алмазы)

У этих разработок есть перспективы применения в самых разных областях науки и техники. Например, использование алмаза как нового материала перспективно для создания детекторов ионизирующих излучений, необходимых для лечения онкологических заболеваний. «Алмаз – тканеэквивалентен, то есть при облучении он набирает ту же дозу, что и организм, поэтому его можно использовать как датчик», – поясняет Юрий Пальянов. Благодаря уникальной теплопроводности алмаза (которая в пять раз выше, чем у меди) его можно использовать в различных устройствах рентгеновской оптики и лазерной техники для отвода тепла. Так как алмаз способен легироваться электрически-активными примесями, становясь полупроводником, его можно использовать в микроэлектронике.

(Кристаллы алмаза)

В институте занимаются также экспериментальным моделированием процессов природного алмазообразования. «Поскольку формирование алмаза происходит в недрах земли (на глубине 200 километров) при высоких давлениях, то изучить эти процессы в природе не представляется возможным. Мы берем среды, адекватные природным, и моделируем то, как происходит зарождение, рост, растворение алмаза. Экспериментально доказано, что карбонаты в природных процессах могут быть не только средой кристаллизации, но и источником углерода алмаза. Это приближает нас к пониманию сложных процессов образования алмазов в природе», – делится последними открытиями Юрий Пальянов.

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!