Уникальные свойства синхротронного излучения применяются буквально во всех областях — от получения новых лекарств для лечения рака или туберкулеза до создания новых, особо прочных материалов. В рамках национального проекта в нашей стране в ближайшее время будут созданы или модернизированы сразу несколько синхротронов. Что это даст обычным гражданам, обсуждаем с Александром Евгеньевичем Благовым, доктором физико-математических наук, директором НИЦ «Курчатовский институт».
— Александр Евгеньевич, почему именно Курчатовский институт стал головной организацией в осуществлении синхротронных и нейтронных исследований на ближайшие восемь лет — до 2027 г.?
— Я бы не стал ограничиваться восемью годами, потому что на самом деле эта программа рассчитана на десятилетия вперед, и тот вклад, который она сделает в современную науку, технологии, производство, рассчитан на более длительный период. Речь идет о создании сетевой структуры, которая должна охватить всю страну новыми мегаустановками мирового класса и тем самым обеспечить пространственное развитие, поднять исследовательский уровень во многих областях знания на новую высоту, обеспечить конкурентоспособность российской науки и технологий, создаваемых с помощью этих установок.
Почему наш институт? Мы занимаемся синхротронным излучением не одно десятилетие. Когда-то секретная Лаборатория № 2 была создана для решения глобальных задач в рамках атомного проекта, главным итогом которого стало создание атомной бомбы. Затем в логике развития атомного проекта мы прошли большой путь, получили огромный опыт в создании и эксплуатации мегаустановок.
Сейчас в Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» на всех его площадках работают целый ряд таких мегаустановок мирового класса. Если говорить о синхротронных и нейтронных направлениях, они представлены тремя мощнейшими установками: это единственный на территории в России и на всем постсоветском пространстве специализированный источник синхротронного излучения «КИСИ-Курчатов» и исследовательский реактор ИР-8, работающие на центральной площадке в Москве, а также высокопоточный, самый мощный в мире исследовательский реактор ПИК, расположенный в Гатчине.
Курчатовский синхротрон «КИСИ-Курчатов» в октябре 2019 г. отметил свое 20-летие. Его создателем и первым директором был М.В. Ковальчук. Крупнейший специалист в этой области, он был одним из первых, кто начал развивать синхротронные исследования у нас в стране. Кстати, ему вместе с коллегами была присуждена премия Правительства РФ в области науки за 2006 г. именно за создание научно-технического комплекса на базе специализированных источников синхротронного излучения в Курчатовском институте. За эти годы были сооружены новые станции, проведены тысячи исследований, накоплен колоссальный опыт. Сегодня в Курчатовском институте на базе синхротрона «КИСИ-Курчатов» и исследовательского реактора ИР-8 работает огромная научная инфраструктура— восемь крупных научных комплексов. Благодаря этим установкам мы имеем возможность проникнуть внутрь материи, разобрать по атомам структуру любого материала, видеть, как атомы располагаются в пространстве, какие у них возникли связи и как они влияют на свойства материалов. Обладая этими знаниями, даже незначительно изменяя структуру материала и атомный состав, можно эффективно и целенаправленно влиять на его свойства. Таким образом, мы можем не только понимать, как работают атомные и молекулярные механизмы, но и создавать новые материалы и изделия. Это основа нанотехнологий, нанобиотехнологий, новейшего материаловедения.
— Знаю, что вы не ограничиваетесь собственными задачами.
— Эти мегаустановки работают как центр коллективного пользования. Половину заявок на эксперимент на синхротроне и на реакторе ИР-8 мы получаем от внешних организаций. Идет сотрудничество, в первую очередь, конечно, с научными коллективами из разных городов, а также с производственными организациями, бизнес- компаниями. Можно сказать, что работа Курчатовского синхротрона все эти годы во многом помогла сохранить культуру синхротронных и нейтронных исследований у нас в стране, развивать методы исследований. приборы и технологии, создавать новую исследовательскую инфраструктуру, то есть сохранить темп и высокий уровень развития этой области.
Мы также активно участвуем в европейских научных проектах в этой области. Один из них — Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) в Германии. Это амбициозный, самый масштабный в мире проект создания рентгеновского лазера, где работает большая международная команда, в том числе задействовано большое количество научных организаций и ученых из России, которая занимает в этом европейском содружестве второе место после Германии по финансовому и интеллектуальному вкладу. Второй проект — Европейский источник синхротронного излучения (ESRF) во Франции. Это один из самых современных источников синхротронного излучения в мире, самая передовая машина, которая недавно прошла модернизацию, причем наша страна, наши ученые активно участвовали в этом процессе.
— Зачем нам это нужно?
— Участие в этих проектах позволило чрезвычайно повысить наши компетенции и возможности. Более десяти российских научных организаций под руководством Курчатовского института участвовали в создании этих установок, были привлечены сотни наших ученых и инженеров.
— Чем это оправдано?
— Таким образом мы продолжаем на равных развивать самые передовые технологии во всем мире. Это очень важно. Есть хорошее английское выражение — cutting edge — то. что находится на острие ножа, на кромке лезвия. Мы все знаем, что наука сегодня интернациональна. Но научные результаты и технологии принадлежат каждой отдельной стране. Поэтому нам нужно иметь и своих специалистов, и свои мощные установки, которые будут направлены именно на развитие отечественной науки. Это одна из основных целей программы синхротронно-нейтронных исследований.
— Что дает в прикладном смысле развитие таких исследований?
— Простой пример. Наверняка многие видели в телевизионных передачах или в интернете изображения хаотического движения атомов. И физики прекрасно знают. что кристалл — это упорядоченная решетка, где атомы заняли свое строгое пространственное положение, то есть образовали материал. Сейчас в эксперименте мы можем наблюдать начальное положение движения атомов из хаоса к кристаллу и конечное положение — сформировавшуюся объемную структуру. А что между этими двумя точками, как этот процесс произошел, мы не знаем. То есть, условно говоря, мы знаем счет матча, а как шла сама игра — не видели. Почему это так важно? Если мы увидим, как это происходит, то на уровне фундаментального строения материи поймем, как природа «привела» эти атомы из начального положения в конечное. А если мы поймем этот процесс, мы таким же природоподобным образом сможем сами создавать новые материалы, новую биологию, медицину, лекарства и т.д.
— Научимся из хаоса создавать новые формы?
— Да. Знание фундаментальных основ позволяет понимать, как работает все, что создано природой. А для чего конкретно это надо? Начну с самого важного для человека — здоровья.
Все, что происходит в организме человека, да и в любом живом организме, — это взаимодействие белков, биохимические реакции. Каждая клетка нашего организма — маленькая биофабрика, постоянно синтезирующая белки. И если эта функция нарушается, организм заболевает. У каждого белка, который состоит из десятков или сотен тысяч атомов, есть своя строгая молекулярная структура. Именно она задает все принципы работы данного белка в организме. Или же возьмем внешний раздражитель— вирус, представляющий собой огромную биологическую макромолекулу, задача которой — проникнуть внутрь клетки, там размножиться, перейти в другую клетку (заразить) и т.д. Чтобы создать лекарство, нам надо заблокировать, например, проникновение вируса через мембрану внутрь клетки. А для этого надо понимать молекулярный механизм процесса, то есть знать структуру на уровне отдельных атомов и молекул. То же самое со многими другими белками, например бактериальными. Мы можем обезвредить палочку Коха — подобрать к одному из жизненно важных для нее белков такой препарат, который «выключит» процессы, важные для метаболизма бактерии. Если нам удалось это сделать, значит, мы создали лекарство.
— Каким образом такое лекарство можно получить?
— Сначала нужно изучить белок, понять, как он функционирует, — определить его пространственную структуру. Для этого нам нужен не просто белок, а кристалл белка. Предварительно необходимо выделить нужный белок, наработать его, очистить и закристаллизовать. Все эти операции мы выполняем у нас в лабораториях комплекса НБИКС-природоподобных технологий (нано-, био-, информационных, когнитивных и социогуманитарных исследований). Далее кристалл белка исследуется на специализированной станции синхротрона, которая позволяет его просветить и увидеть его пространственную структуру. За этим следует процесс математической обработки, моделирования, анализа работы белковой молекулы на уровне атомных и молекулярных механизмов. И, наконец, мы последовательным образом приготавливаем препарат, который будет взаимодействовать с белком, блокируя или, наоборот, ускоряя его работу то есть создаем лекарство. Но это все очень непросто. Чего только стоит сложнейший процесс кристаллизации! «Правильный» кристалл получается всего в одном случае из тысячи, остальное — брак.
— А в природе эффективность образования кристаллов выше?
— У природы на это времени гораздо больше — эволюция шла сотни миллионов лет. Но мы не можем так долго ждать и пытаемся детально понять эти процессы, разработать новые природоподобные технологии.
— Удалось ли создать какое-то конкретное лекарство?
— Ученые априори не могут обеспечить весь процесс создания и внедрения лекарств. Должны подключаться также и другие организации, в первую очередь медицинские компании и производства. Путь от структуры белка до самого медицинского препарата — примерно десять лет, тысячи исследований и решенных белковых структур с различными соединениями, клинические испытания. Я не зря назвал палочку Коха. Это одна из идей, над которой мы сейчас работаем. Надеюсь, скоро появится новый препарат, направленный на лечение туберкулеза.
— Это очень актуальная проблема во всем мире н, в частности, в России, поскольку туберкулез, как известно, не собирается сдаваться.
— Мы стараемся концентрироваться именно на таких актуальных направлениях. Второе направление, в котором мы сейчас активно работаем на одной из станций нашего синхротрона, — создание на поверхности жидкости аналога биологической мембраны. С помощью синхротронного излучения мы исследуем, как различные вещества, в том числе белки и лекарства, проникают через клеточную мембрану. Сейчас мы проводим исследования достаточно известного противоопухолевого химиотерапевтического препарата — и обнаружили очень интересную закономерность. Оказывается, разные типы мембран по-разному задействованы в этом процессе. В одни мембраны лекарство проникает без проблем, в другие — нет. Это значит, что мы можем задать избирательный характер воздействия этого препарата на клетку, то есть существенно снизить пагубные реакции препаратов химиотерапии на организм.
— Тоже чрезвычайно важное направление, поскольку известно, что часто люди умирают не от рака, а от побочных реакций, вызванных химиотерапией.
— Именно. Тем ценнее возможность, проведя такую коррекцию, скорее победить болезнь.
Еще одно важное направление наших исследований — микро- и наноэлектроника. Мы сейчас достигли такого размера активного (рабочего) элемента для микро- и наноэлектроники. что нужна очень высокая степень увеличения и детализации.
У нас есть особая электронная лаборатория — фактически небольшая фабрика для производства микро- и наноэлекронных устройств, которая позволяет не только создавать практически любые электронные микросхемы, но и отрабатывать технологии их создания. Расположена она непосредственно на территории экспериментального зала Курчатовского синхротрона в специальной чистой комнате высокого (четвертого) класса чистоты. Туда выведена синхротронная станция, которая позволяет в режиме реального времени видеть, как создается микросхема. Изначально любая микросхема— это многослойная структура, напоминающая сэндвич, состоящая из нескольких слоев металла, диэлектрика и полупроводника толщиной около нанометра. Эти слои представляют собой рабочую область. Путем литографии из этой структуры формируются островки, представляющие собой нанотранзисторы. Готовая микросхема с миллионами таких нанотранзисторов вполне может уместиться на человеческом ногте. Она выполняет функцию процессора, памяти, СВЧ-устройства, и это уже далеко не фантастика.
— Наверное, непросто такое создать?
— Крайне непросто. Вроде бы у нас существует понимание всех этапов: как создать переход, как напылить один кристалл на другой, как сделать сверхтонкий металлический слой на поверхности полученного кристалла. Но в процессе формирования структуры происходит «размазывание» границы между слоями, один материал проникает в другой, и все это ведет к тому, что микросхема не работает. Значит, нам нужно контролировать этот технологический процесс, иметь обратную связь. И здесь, конечно, очень важно применение синхротронного излучения. Только высокая яркость синхротронного пучка и чувствительность к атомной структуре, буквально к отдельным атомам, может помочь решить эти проблемы. Никакой лабораторный микроскоп, никакие рентгеновские приборы не позволяют достичь такого качества картинки, как синхротрон.
— А какие у вас планы на будущее?
— Наши планы и перспективы связаны с Указом Президента Российской Федерации «О мерах по развитию синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры». В рамках этого указа мы и должны создать одноименную программу. Курчатовский институт — головная организация, которая осуществляет экспертную, методическую поддержку, координацию с международными проектами.
Развитие исследовательской инфраструктуры подразумевает создание трех новых источников синхротронного излучения и модернизацию действующего. Курчатовский синхротронный источник будет значительно модернизован до следующего, третьего поколения. Будут заменены практически все системы линейного и кольцевого ускорителя.
На Дальнем Востоке на острове Русский будет создан источник синхротронного излучения (по типу Курчатовского синхротрона), который, несомненно, будет способствовать научно-технологическому развитию этого региона.
В Новосибирской области будет создан новый источник синхротронного излучения четвертого поколения. Это относительно небольшой ускоритель с энергией электронов 3 ГэВ. Периметр основного накопительного кольца — чуть меньше 500 м. Он позволит создать около 30 станций экспериментальных станций.
Далее— флагманский источник, самый большой, не имеющий аналогов в мире. Мы назвали этот проект «Сила» (синхротрон-лазер). Проект разрабатывается Курчатовским институтом. С помощью исследований на этой установке мы сможем совершить колоссальный прорыв в био- и нанотехнологиях, научном материаловедении. Идею этого проекта поддержали японские партнеры из синхротронного центра SPRINGS, европейского синхротронного центра ESRF в Гренобле и германского синхротронного центра DESY в Гамбурге. Этот источник представляет собой накопительное кольцо и рентгеновский лазер на свободных электронах. созданные в общей инфраструктуре и базирующиеся на едином линейном ускорителе с энергией электронов 6 ГэВ. Основное накопительное кольцо будет иметь периметр более 1 км. на нем будут установлены 40 экспериментальных станций, пять экспериментальных станций будет создано для рентгеновского лазера.
— Наверное, в Протвине?
— Да. Сейчас там действует самый высокоэнергетичный в России протонный ускоритель У-70. Есть все необходимые условия: уникальный опыт, широкие возможности энергетического подключения, близость к другим научным центрам, подходящая геология местности.
— Мы там были — и почти час обходили вокруг эту установку. Идешь, как по таинственному городу, какие-то углубления, помещения...
— В Протвине есть еще 20-километровый тоннель под землей — проект советского CERN, который в 1990-х гг. был готов практически на 70%. Причем он был создан усилиями и возможностями собственного производства Института физики высоких энергий. К сожалению, этот масштабный пионерский проект был заморожен тогда в связи с распадом СССР. При этом благодаря созданию Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» удалось сохранить работоспособным сам институт в Протвине, мощное опытное производство, которое после некоторых реноваций вполне способно справиться с современными амбициозными задачами.
— Это вдохновляет.
— Вместе с уникальным синхротроном «Сила» в рамках программы в Протвине будет создан прототип так называемого Spallation Source— нового безреакторного источника нейтронов. Сейчас мы для получения нейтронных пучков используем ядерный реактор. Здесь же для получения нейтронов будет использован упомянутый ускоритель протонов У-70.
— Когда вы говорите обо всех этих проектах, надо понимать, что для их осуществления требуется особая инфраструктура. Удастся ли ее создать?
— Конечно. Мы работаем над ее созданием, и во многих местах она уже есть. Это относится к тому же Протвину. Хорошими примерами служат действующая инфраструктура центральной площадки Курчатовского института, исследовательская инфраструктура, создаваемая вокруг реактора ПИК в Гатчине под Санкт-Петербургом. У него, кстати, тоже непростая история. Он создавался еще в Советском Союзе, был заморожен после аварии на ЧАЭС. Но в 2010 г., когда Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова вошел в состав НИЦ «Курчатовский институт», было принято важнейшее решение о продолжении и развитии этого проекта. Сейчас мы фактически прошли стадию так называемого физического пуска и начали поэтапно технически сложную, трудоемкую процедуру энергетического пуска реактора с соблюдением всех самых строгих требований безопасности.
Так что мы имеем все основания рассчитывать. что в рамках программы развития синхротронных и нейтронных исследований в нашей стране в ближайшие десять лет будет создана самая современная распределенная сеть мегаустановок — уникальная научная инфраструктура для прорывов во многих областях науки будущего. ■
Беседовала Наталия Лескова
