В рамках открытого урока, организованного АНО «Национальные приоритеты» и Российским обществом «Знание», школьники познакомились с актуальными научными достижениями. Учёные рассказали им о фотонике и световых технологиях, новых сенсорных системах а также, как древняя посуда помогает раскрыть тайны прошлого.
Фотоника: сила света
Руководитель Троицкого обособленного подразделения Физического института им. П.Н. Лебедева член-корреспондент РАН Андрей Наумов рассказал школьникам о фотонике и её применении в различных сферах.
По словам учёного, свет позволяет изучать как бескрайний космос, так и микромир. Например, с его помощью можно исследовать далёкие галактики, анализируя свет звёзд. В Архызе располагается специальная астрофизическая обсерватория РАН, где при помощи нескольких телескопов ведутся такие исследования. Ещё одним достижением в области лазерной астрономии является телескоп «Спектр-РГ» — орбитальная астрофизическая обсерватория, расположенная в точке Лагранжа на расстоянии 1,5 млн км от Земли.
С другой стороны, оптические технологии позволяют решать задачи микромасштабов, например, изучать строение атомов или клеток. Оптические микроскопы делают видимым то, что недоступно невооружённому глазу.
Учёный отметил, светофильтры в фотонике играют важную роль в управлении световыми волнами для различных целей, таких как фильтрация, модуляция и анализ света. Они представляют собой устройства, которые избирательно пропускают, отражают или поглощают свет определённой длины волны. В Троицком подразделении Физического института им. П.Н. Лебедева создано одно из лучших производств таких светофильтров в стране.
Андрей Наумов также рассказал о явлении дисперсии света. Пропуская солнечный луч через призму Ньютон увидел, как свет разлагается на спектр цветов, подобно радуге. Так происходит потому, что световые волны с разной длиной отклоняются под разными углами при прохождении через границу двух сред. На основе этого принципа работает спектральный анализ, позволяющий исследовать материалы.
По мнению члена-корреспондента РАН Наумова, важнейшей вехой в фотонике стало открытие лазерных технологий.
«Революция как в технологиях, так и в оптике произошла с открытием лазерных источников света. Ещё одним значительным достижением наших соотечественников стала Нобелевская премия, присуждённая академикам Николаю Геннадиевичу Басову и Александру Михайловичу Прохорову, которые совместно с Чарльзом Таунсом были удостоены награды за разработку когерентных источников света. Эти технологии активно используются нами и сегодня», — отметил учёный.
Например, в Троицком подразделении Физического института им. П.Н. Лебедева разработана установка для лечения дерматологических заболеваний, а в ФИАНе построен квантовый ионный вычислитель. Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН заложил основы лазерной техники для офтальмологии, в свою очередь, в Курчатовском институте развиваются методы лазерной печати и аддитивные технологии. В настоящее время активно ведутся работы по созданию инновационных методик диагностики и лечения заболеваний с использованием фотонных технологий, что способствует переходу к персонализированной медицине и эффективному здоровьесбережению.
Что такое сенсор и как его создать?
О сенсорах школьникам рассказала заместитель директора Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН профессор РАН Ирен Кузнецова. «Сенсор — это устройство, реагирующее на внешние сигналы и фиксирующее изменения», — пояснила исследователь. Сенсоры делятся на несколько типов: физические сенсоры измеряют такие физические величины, как температуру, освещённость, давление, электрические и магнитные поля; химические — определяют концентрацию веществ, используя химические принципы; биологические сенсоры выявляют вирусы, микробы и другие биологические объекты.
Отвечая на вопрос о том, с чего начать работу по созданию сенсора, Ирен Кузнецова сказала, что необходимо сначала определиться с характеристиками сенсорного покрытия: «Чаще всего это новое покрытие, свойства которого для учёных неизвестны. Поэтому мы используем современное оборудование для определения его характеристик. Если покрытие изменит свойства под внешним воздействием, нам нужно знать, что именно изменилось. Далее измеряем характеристики сенсора с этим покрытием, чтобы убедиться, что оно не влияет на его свойства без воздействия внешних факторов, а затем проверяем, как сенсор реагирует на исследуемое вещество».
Профессор РАН подчеркнула, что, например, в электрохимических сенсорах металлическая электродная структура наносится на подложку, на которую добавляется чувствительное покрытие. Изменение проводимости плёнки вызывает изменение сопротивления между электродами, что фиксируется как сигнал. Однако плёнка может влиять на электроды, особенно в агрессивной среде, что делает сенсор нестабильным. Именно акустические волны, с которыми Ирен Кузнецова работает в Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, помогают бороться с проблемой нестабильности сенсора.
По мнению учёной, основные тенденции в развитии сенсорики — создание «умной» среды обитания. Умные дома и города, уже ставшие реальностью, развиваются благодаря множеству датчиков, регулирующих различные аспекты жизни, такие как управление атмосферой, выбросами вредных веществ и освещением. В будущем сенсоры будут интегрированы в повседневную жизнь, включая «умную пыль», которая поможет обнаруживать опасности, такие как пожары, на ранних стадиях. Также сенсорные технологии будут необходимы для работы умных станций, автоматизированных систем и даже станций на Марсе.
О чём расскажет битая посуда?
Научный сотрудник отдела теории и методики Института археологии РАН кандидат исторических наук Евгений Суханов поделился со школьниками, как и какие данные археология получает из многовековой глиняной посуды. Учёный подчеркнул, что среди прочих категорий находок особым многообразием и многочисленностью отличается глиняная посуда. Таким образом, основной задачей археологов является лучшее понимание жизни наших предков на основании того, что от них осталось.
Анализ древней керамики, в частности амфор, позволяет исследовать торговлю в древности. Амфоры использовались для транспортировки жидких и сыпучих товаров, таких как вино и зерно, и доставлялись в порты, где товар распродавали на местных рынках. По фрагментам амфор археологи могут определить центры их производства, используя методы естественных наук для анализа состава глины. Это помогает проследить торговые маршруты и направление поставок товаров. Также с помощью современных технологий, таких как трёхмерное моделирование, можно оценить изначальный объём амфоры и, следовательно, объём поступавших товаров. Эти данные дают возможность отслеживать изменения в торговых связях и импорте на протяжении веков.
Основываясь на глиняных изделиях, можно также узнать больше о хозяйственной деятельности древних людей. В большинстве случаев посуду не покупали, а изготавливали в местных домохозяйствах. При производстве глиняных сосудов использовались различные добавки, такие как навоз и отходы земледелия. Экскременты животных повышали пластичность глины, улучшали прочность сосудов и помогали им переносить обжиг. Продукты земледелия, такие как зёрна и семена, часто встречаются в керамике, и с помощью специальных методов можно изучить отпечатки зёрен на сосуде, что помогает определить виды растений, использовавшихся в хозяйстве.
Древняя битая посуда может также рассказать о родственных связях и происхождении населения. Археологи заметили, что посуда из разных регионов отличается по технологии изготовления, и начали искать причины этих различий. Исследуя традиции гончарства у народов, где оно сохранилось, археологи обнаружили, что навыки и знания в изготовлении керамики передаются контактным путём, в основном через родственные связи.
«По данным восточноевропейской этнографии, собранным в 60–70-е годы ХХ века, примерно в 85 процентах случаев гончары обучались своим навыкам либо у своих отцов, дедов, либо у родственников, связи с которыми есть, например, через жену или мужа. Как вы понимаете, это был ХХ век, в древности, скорее всего, процент такого механизма передачи информации по родственным каналам был ещё выше, чем в современности», — комментирует исследование Евгений Суханов.
Изучая даже битую глиняную посуду, археологи могут ответить на множество важных вопросов о прошлом людей, которые её использовали. Учёные анализируют связи между различными древними поселениями, группируя их по сходству в технологии гончарного производства. Также они исследуют преемственность населения в разных районах, чтобы понять, как и какие группы людей жили на этих территориях в разные исторические эпохи.