НИЦ "Курчатовский институт"

Синхротронное излучение — это такие же электромагнитные волны, что и видимый свет, но в более широком спектральном диапазоне. Оно отличается только способом появления: его излучают частицы, двигающиеся со скоростями, близкими к скорости света по криволинейным траекториям. Исследования на синхротронных установках позволяют создавать новые материалы, понять структуру и механизмы работы различных веществ и управлять ими на уровне атомов. Такие установки - одни из самых мощных современных устройств для изучения свойств и структуры материи. Как устроен окружающий нас мир и почему необходимо понимать атомную структуру молекул — рассказал старший научный сотрудник Национального исследовательского центра (НИЦ) "Курчатовский институт" Ратибор Чумаков.

Как человечество познакомилось с синхротронным излучением и какая нам может быть от него польза?

История синхротронного излучения началась с появлением ускорителей заряженных частиц. Первыми ускорителями были циклотроны — достаточно громоздкие машины, предназначенные для разгона заряженных частиц (протонов, ионов и электронов) до больших скоростей, столкновения их с мишенью и провоцирования таким образом ядерных реакций. В дальнейшем, занимаясь поиском пути повышения энергии (а значит и скорости) таких заряженных частиц, была обнаружена необходимость создания более мощных машин — коллайдеров или кольцевых ускорителей для сталкивания частиц. При увеличении скорости заряженных частиц, часть их энергии терялась в виде излучения в соответствующих поворотных магнитах больших установок.

Изначально это излучение рассматривалось как “паразитное”, то есть — как источник потерь энергии, потраченной на ускорение заряженных частиц. Тем не менее в дальнейшем было обнаружено, что оно само по себе обладает очень интересными свойствами — высокой яркостью, направленностью и широким спектральным диапазоном. Это породило отдельное научное направление по использованию синхротронного излучения в исследованиях материалов. В дальнейшем учеными были построены отдельные исследовательские установки — специализированные источники синхротронного излучения.

Человек получает информацию из разных источников, одним из важнейших из которых является зрение. Когда мы говорим, что мы используем зрение — мы говорим об анализе электромагнитного излучения в определенном диапазоне длин волн (примерно 400-700 нанометров). Соответственно, различные оптические приборы — например, очки или микроскопы — предназначены для фокусировки на нужном месте, увеличения разрешения и наведения взгляда на определенный объект.

Однако что будет, если наблюдаемый объект окажется меньше длины волны света? Здесь возникает физический запрет, называющийся дифракционным пределом, суть которого заключается в том, что если два объекта или сам объект имеет размер меньше, чем длина волны, мы не сможем их различить — для нас это всегда будет одна точка, которая, например, имеет размер 400 нанометров. Но в мире есть сложные структуры и меньше этого размера. Органеллы живых существ, молекулы… Мы знаем об их существовании, но как их увидеть? Для этого придется преодолеть дифракционный предел, но при помощи обычного светового микроскопа сделать это невозможно, нам необходимо уменьшить длину волны используемого излучения. Уменьшая длину волны электромагнитного излучения мы сначала перейдем к обычному ультрафиолету, далее — к вакуумному ультрафиолету, а еще больше уменьшая длину волны — к рентгеновскому излучению.

Наиболее распространенная длина волны, которая используется в экспериментах на синхротронах — 1 ангстрем (0.1 нанометр), что соответствует энергии фотонов 12,5 тысяч электрон вольт. Имея длину волны в 1 ангстрем, мы можем увидеть объекты такого же размера — это расстояние между двух атомов или даже размер самого атома.

Таким образом, мы смогли сконструировать прибор, который может наблюдать за атомарной структурой вещества, что важно для понимания его особенностей и принципов работы.

Какие объекты меньше длины волны света мы можем увидеть?

Скажем, вирус. Например, самый "популярный" сейчас — коронавирус. Его изображение вы, наверное, видели везде, в том числе — в медиа. Он представляет собой шарик с шипами. Этот шарик размером порядка 100 нанометров, а значит — ничего, кроме мутной точки, увидеть обычным световым микроскопом не представляется возможным (мы не будем сейчас говорить о светой микроскопии с суперразрешением, за которую не так давно присудили Нобелевскую премию по химии).

Как же узнали, что у него есть сложное строение — например, те же шипы, которые активно участвуют в процессе заражения? Как придумать лекарство против него? Для этого сначала нужно увидеть структуру объекта, чтобы понимать, как именно он работает, какие фрагменты участвуют в его жизнедеятельности и как его “выключить”. В 2020 году исследования коронавируса с помощью синхротронного излучения позволили расшифровать структуру этих шипиков и ускорить процесс разработки лекарства от него.

Как это работает на практике?

У нас есть приборная установка, которая генерирует синхротронное излучение. Длина его волны соразмерна с атомарной структурой вещества, что открывает перед исследователями физическую возможность наблюдать за этой структурой.

Можно выделить несколько типов взаимодействия излучения с веществом. Один из этих типов взаимодействия — рассеяние. В видимом свете — качество отражения: блестит ли, зеркально ли отражает или рассеивает ли свет объект, который мы наблюдаем — все эти данные говорят о свойствах объекта. С помощью рентгеновского излучения можно получить об объекте больше информации. Если мы возьмем кристаллический объект и направим на него рентгеновское излучение, то атомы, находящиеся в кристаллической решетке, будут рассеивать это излучение, но особым образом.

Ученым известны закономерности – как именно рассеивается излучение: это строго зависит от расстояния между атомами в решетке. Благодаря этому при получении дифракционной картины в таком эксперименте мы можем ее математически проанализировать, выяснить расположение рассеивающих атомов и так узнать, каким было это вещество на атомарном уровне, какова его структура.

В мире очень много белков. Только в нашем организме их несколько десятков тысяч различных видов. И они участвуют во многих важных биологических процессах. Поэтому важно знать их состав, структуру и свойства.

Для того, чтобы понять, как именно атомы внутри простой или сложной молекулы участвуют в том или ином процессе, нам нужно в первую очередь увидеть структуру этой системы — органической или молекулярной. Для этого используются эксперименты на синхротронных установках, где кристаллы различных органических кристаллизированных веществ (это могут быть вирусы и их составляющие, белки или просто макромолекулы) просвечиваются рентгеновским излучением. Узнав их структуру, мы можем определить, как они участвуют в том или ином жизненном цикле клетки или всего организма, и придумать новые лекарственные вещества. Например, ингибиторы, усилители или блокаторы тех или иных процессов как в организме человека или животного, так и в примитивных организмах — вирусах или бактериях.

Какие интересные эксперименты проводились на синхротронах?

Наиболее интересное применение синхротронного излучения — это синтез новых веществ и поиск лекарственных препаратов, исследование процесса проникновения различных веществ (в том числе вредных) через мембраны клеток, обнаружение внутренней структуры палеонтологических объектов и исторических артефактов, исследование влияния катализаторов на протекание химических реакций (в том числе для нефтедобывающей промышленности), создание и изучение новых элементов для микроэлектроники на основе двумерных материалов типа графена.

А если конкретнее? С примерами...

Создание нового лекарства — длительный и дорогой процесс. Сначала необходимо обнаружить механизм, с помощью которого будет производиться влияние на тот иной процесс. Далее – синтезировать вещество. После синтеза необходимо произвести большое количество проверок. Например, взять разные варианты вещества, проверить их действие на примитивных организмах или на мышах, таким методом перебора найти наиболее удачный. Синхротрон позволяет сократить этот процесс: понимая структуру вещества, можно «предсказать», кто из этих потенциальных кандидатов сможет с большей вероятностью дать нужный результат.

Ежегодно около 5-10 новых веществ, макромолекул, биологических компонентов вирусов, белков обнаруживаются и регистрируются в базах данных с помощью нашего Курчатовского синхротрона.

Кроме того, использование синхротронных установок приносит практическую пользу в концепции импортозамещения. Например, при создании тех же лекарственных препаратов. Помимо этого, что сейчас реализуется проект строительства нового синхротрона в Новосибирской области - СКИФ (сибирский кольцевой источник фотонов).

Какое будущее у синхротронных исследований вы видите?

Самый большой недостаток таких установок — сложность. Не так много исследователей, молодых или даже опытных ученых, которые могут полноценно пользоваться этим методом, понимать, какую пользу он может принести конкретно для их исследования или для научного направления в целом. Именно поэтому необходимо не только усиливать инструментальную базу (новые экспериментальные возможности, улучшение качества — быстрее, ярче, сильнее – важно сделать так, чтобы ученые понимали, каких результатов они могут достигнуть, применяя в своих исследованиях синхротронное излучение.

Например, для того чтобы тот же химик мог адекватно использовать синхротронную установку в своих экспериментах и сделать прорыв, он должен сам (или с помощью коллабораций) погрузиться в возможности синхротрона, в физические принципы, в математический аппарат для получения действительно важных результатов. Именно поэтому развитие таких установок сопряжено с повышением образованности в первую очередь самих исследователей, которых необходимо привлекать к использованию этого мощного инструмента.

Развитие инструментальной и технической базы синхротронов уже в ближайшем будущем позволит проводить исследования на принципиально новом уровне – с высоким временным разрешением. Это открывает возможности изучения динамики вещества – пути протекания химических реакций, создание и разрушение химических связей, движение электронов в полупроводниках, наблюдение за процессом жизнедеятельности биосистем. На мой взгляд именно это направление исследований имеет большое будущее в синхротронных исследованиях.

Как много синхротронов в мире?

В мире довольно много установок, но не стран, которые ими обладают. Исследовательская инфраструктура такого уровня может создаваться и использоваться только в странах с очень высоким научно-технологическим уровнем. Например, в Японии порядка 10 синхротронных установок, они специализированные, работают в разных режимах, заточены под разные эксперименты. В США около 5 публичных синхротронов, где могут проводить исследования американские ученые, а также зарубежные исследователи, подавшие соответствующие заявки. И еще порядка 5 «закрытых» установок, без публичного доступа. В Европе тоже работают около 10 синхротронных установок – в Германии, Франции, Великобритании.

Мы не просто следим за новинками и экспериментальными техниками, которые развиваются на зарубежных установках – мы принимаем активное участие в этом процессе. Например, можно заметить, что самая передовая установка с использованием синхротронного излучения строится всегда с участием тех или иных российских авторов, многих из которых занимаются принципиальными и ключевыми вещи. Так, например, переход от квазинепрерывного излучения к импульсному или лазерному излучению реализован на основе идей нашего соотечественника Евгения Салдина, который участвовал в создании совместной установки в Германии — European XFEL

Считаете ли вы, что национальный проект «Наука и университеты» помогает развиваться российской науке? Достаточна ли поддержка науки государством в научной сфере?

Строительство мегаустановок невозможно без глобальной государственной поддержки.

Это очень большие и очень дорогие установки. При этом экономических эффект от их строительства, использования и применения результатов в краткосрочной перспективе не очевиден: установка строится и наполняется оборудованием несколько лет, а эксперименты и макрорезультаты этих исследований появятся еще через 5-10 лет.

При этом. если не вкладываться в эти установки и исследования, мы неизбежно отстанем во многих областях научной и технологической сферы.

Также очень важно подключение университетов к работе по синхротронным тематикам, потому что такие установки не могут эффективно существовать без значительного кадрового ресурса. Нужны инженеры специалисты для их обслуживания и совершенствования, нужны ученые, которые смогут наполнить их новыми задачами, сферами применения, новыми разработками и знаниями.

Все эти взаимосвязанные задачи – технические, кадровые, научные – могут решаться только при комплексном подходе. В России он реализуется в рамках ФНТП развития синхротронных и нейтронных исследований, где научным руководителем выступает Курчатовский институт.