Закрыть фоторежим
Закрыть фоторежим
^
Лента новостей
Разделы сайта
Лента новостей
Новости Поиск Темы
ОК
Применить фильтр
Вы можете фильтровать ленту,
выбирая только интересные
вам разделы.
Идёт загрузка

Многие выращенные кристаллы находят важное применение в военной области - Михаил КОВАЛЬЧУК

18 ноября 2013, 14:38 UTC+3
© ИТАР-ТАСС/Александр Цыганов

Научное или хотя бы школьное определение кристалла вспомнит не каждый. Но все знают: что-то твёрдое, упорядоченное. И потому когда в списке важнейших научных направлений Института кристаллографии имени А.В. Шубникова РАН /ИК РАН/ встречаешь слова: "Создание, изучение структуры и свойств органических и биоорганических материалов" – удивляешься. Что может быть общего у кристаллографии и биологии? Об этом  и многом другом в день 70-летнего юбилея ИК РАН в эксклюзивном интервью ИТАР-ТАСС рассказал председатель  Учёного совета ИК РАН, директор Курчатовского института, член-корреспондента Российской академии наук Михаил Ковальчук.

- Так что же такое кристалллография и чем она занимается?

- Простой ответ: кристаллография – наука о кристаллах.

Но это именно простой ответ, потому что кристаллография – не только наука о кристаллах. В некоем смысле она наука наук. Это – методология науки XXI века. Мы живём в мире, в котором царит узкоспециальное знание. Это понятно: у нас отраслевая экономика, и ей соответствуют узкоотраслевые наука и образование. Так сложилось исторически.

Наука в современном понимании этого слова родилась во времена Ньютона. Тогда она называлась натурфилософией. С углублением знаний о природе стала развиваться научная специализация: сперва на естественные – "натур" – и гуманитарные – "философия" – дисциплины, затем, по мере развития наших представлений о мире, совершенствования инструментальных методов - на более специальные направления. Ну и далее пошло все большее ветвление, и образовались тысячи научных дисциплин. Это видно даже по образовательной системе: когда я поступал в университет, там было 10 – 12 факультетов, а сейчас их – сорок!

И вот, с одной стороны, на базе этого специализированного знания мы построили колоссальную цивилизацию, плодами которой ныне пользуемся. Но с другой – мы зашли в некий глобальный тупик, когда специализация стала настолько узкой, что учёные, работающие за соседними столами, подчас не понимают работы друг друга.

- Кто-то остроумно заметил: "Мы знаем всё больше и больше о всё меньшем и меньшем – покуда, наконец, мы не будем знать всё ни о чём"…

- Уже не так. Потому что сейчас, когда так узко "нарезали" специализации, искусственно создали множество узких конкретных областей знания, вся логика развития науки подвела нас уже к некоему принципиально новому процессу – складывания, восстановления единой картины мира. Но уже на базе того самого специализированного, то есть глубинного знания. Мы прежде шли вглубь по пути специализации, - сегодня уже можем интегрировать единую картину мира на основе конвергенции, слияния разных областей науки.

Но при чём тут кристаллография, спросите? А при том, что она начиналась в качестве одной из дисциплин геологии. Понятно: геология занималась минералами, они были, в основном, кристаллическими, появилась нужда в соответствующем аппарате для описания и изучения свойств кристаллов. Однако потом, когда разобрались в основных, доступных, так сказать, глазу свойствах, ученым захотелось понять, из чего состоят кристаллы. И так кристаллография стала частью химии. А переворот в этой области наступил, когда в 1912 году была открыта дифракция рентгеновских лучей. Благодаря этому стала видна трёхмерная периодическая структура кристаллов. Для нас открылся "внутренний мир" окружающих нас веществ.

И тогда кристаллография стала существенной частью уже и физики. Возникла очень значимая область этой науки, которая называется рентгеновская кристаллография. Хочу отдельно обратить ваше внимание на то, что осознанное материаловедение, создание искусственных материалов, которое сегодня является основой нашей цивилизации, возникло именно благодаря рентгеновской кристаллографии.

А ещё спустя время, несколько десятилетий назад, кристаллография стала существенной частью… биологии. Точнее, она практически превратила молекулярную биологию в ту серьёзную науку, каковой она сегодня является. Мы стали изучать структуру биокристаллов, научились превращать биологические объекты в кристаллы – и так возникла новая область, названная белковой кристаллографией.

- Это не очень понятно: где кристаллы и где белки? Непосвящённых удивляет, что среди научных направлений Института кристаллографии значатся изучение нано- и биоорганических материалов. Ну, нано – это понятно, но био? Биокристаллы – разве они существуют?

- К этому мы ещё вернёмся, а сейчас я хотел бы подытожить вышесказанное: современная кристаллография является одновременно частью биологии, химии, физики, материаловедения, геологии. В этом смысле она исходно - междисциплинарна. Наш институт, таким образом -универсальное научное заведение, где работают физики, химики, биологи и другие специалисты. Потому я и говорю, что кристаллография – это методология конвергентной, синтетической науки XXI века.

- А ваш институт – инкубатор, где она вырастает?

- Вы правильно задаёте вопрос. На самом деле, это именно так.

Вообще, отталкиваясь от этой темы, хочу отметить, как сильно изменилась кристаллография. Вот мы сначала изучали минералы, их структуру и свойства. Потом начали моделировать в лабораториях условия, в которых образуются эти кристаллы в природе. Таким образом, стали создавать технологии выращивания кристаллов. И таких технологий у нас сегодня много, в том числе совершенно уникальных. Например, есть кристаллы, которые не видят солнечного света. Зато видят, скажем, коронный разряд вдоль линий электропередач, когда начинается какая-то аварийная ситуация. Глазом мы ещё ничего не видим, а в ультрафиолетовом свете там уже бушует пожар. Помните, была авария на подстанции в Чагино несколько лет назад? Так вот, за месяц до того над подстанцией летали вертолёты с нашими кристаллами, которые проходили проверку. И видели, что там уже бушует ультрафиолетовый пожар. Многие выращенные кристаллы находят важное применение в военной области. Например, можно увидеть за много километров запуск некоего объекта. А сколько применений находит себе искусственный кварц! Именно в нашем институте была разработана технология выращивания больших кристаллов пьезоэлектрического кварца. Эти работы были удостоены Ленинской премии. И сегодня, после того как у нас было построено несколько заводов, мы являемся крупнейшими в мире производителями пьезокварца – треть мирового объёма!

А затем мы перешли к диэлектрическим и лазерным кристаллам, к созданию технологий выращивания тугоплавких кристаллов. Например, сапфира, рубина, гранатов, которые находят огромное применение и в науке, и в производстве, и в быту.

Вот так и была создана уникальная индустрия.

- Да, но как же тогда объяснить этот вечный кризис с недостаточным качеством отечественной элементной базы? Тоже кристаллы, но никак не удавалось добиться их нужной чистоты. Вот и недавно президент страны привлёк к этому внимание…

- Это несколько разные вещи. Элементная база включает в себя не только те кристаллы, о которых я говорю. Речь идет о полупроводниковых кристаллах, составляющих основу твердотельной электроники. Там сложнейшее производство, состоящее из многих этапов. При том, что основа у нас очень хорошо развита, но в самом производстве действительно существовали проблемы. Однако это другая история. А, например, ещё в начале 1970-х годов наш Институт кристаллографии продал в Японию за миллион долларов – немыслимые тогда были деньги! – лицензию на производство кристаллов сапфира. Японцы купили нашу лицензию, установки, нашу методологию! И это была одна из лучших методик в мире.

Есть примеры и сегодняшнего дня. Вот знаменитый ЦЕРН. На глубине ста метров лежит 27-километровый ускоритель, в котором до огромных, околосветовых скоростей ускоряются пучки протонов и тяжёлых ионов, которые затем сталкиваются с выделением громадного количества энергии. И главное в этом кольце-ускорителе – четыре так называемых "промежутка встреч", где стоят детекторы, которые должны увидеть осколки – результаты этих столкновений. Из четырёх детекторов – два, высотой с десятиэтажный дом, состоят из сотен тысяч элементов, изготовленных из кристаллов вольфрамата свинца. Их свойства уникальны. Достаточно назвать хотя бы способность работать долгое время под огромной радиационной нагрузкой. Так вот, ни одна страна, кроме России, не смогла синтезировать такой кристалл и за короткое время произвести сотни тонн этих кристаллов, которые использовались для многих экспериментов и, в частности,  при открытии бозона Хиггса! Кстати, ЦЕРН давал такое же задание и другим странам, но у тех не получилось. Их кристаллы не годились по целому ряду параметров.

- Какими достижениями институт может похвастаться сегодня?

- Если брать нынешний этап развития, то он характеризуется, прежде всего, переходом на кристаллы белков и вообще – к биоорганическим объектам и нанотехнологиям, а также к созданию диагностики адекватного уровня , в том числе благодаря синхротронному излучению и нейтронам.

Ныне это, говоря торжественно, - передовая линия науки. Нанобиотехнологии сегодня – это, без малейших преувеличений, одно из важнейших условий дальнейшего развития цивилизации. Достаточно напомнить, что вся электроника строится на технологиях, использующих тонкие слои, приближающиеся буквально к атомарной толщине. То есть это уже не кристалл – а его поверхность.

И вот наш институт , наряду с изучением биоорганических объектов, стал заниматься развитием методов изучения соответствующих структур и биоорганических объектов.

- При этом слове сразу же возникают образы биороботов, андроидов, совершенных биомашин… Что это такое на самом деле?

- Отвечу просто: каждый белок – биомашина! Каждый белок – биоробот. Белок является измерителем и генератором.

Очень упрощённо поясню. Например, белок измеряет какой-нибудь параметр – скажем, избыточную концентрацию перекиси водорода. Если все в норме – он «спокоен». Если выше нормы – он расщепляет ее на воду и атомарный кислород. Если ниже – он из воды и кислорода синтезирует вещество до необходимого уровня. Автоматическое устройство, не так ли? И так работает любой белок, и в этом смысле мы, расшифровывая структуру белка, изучаем работу настоящего функционального центра! Можно сказать, что мы изучаем деятельность природного биоробота.

Но когда вы берёте белок для проведения анализа его структуры, то также можете его превратить в кристалл.

 - Как? Заморозить?

- Нет, можно его вырастить. Например, как обычный кремний, из которого выращивают монокристалл, а потом делают интегральную схему. Так и с белком: вы можете его при определённых условиях превратить в кристалл. Это, конечно, непросто. Например, в кремнии всего восемь атомов в ячейке, почти в любом проводнике. А в белке – десятки, сотни тысяч атомов.. Таким образом, биокристалл, конечно, намного сложнее.

- Для чего нужны биокристаллы? Зачем их делать?

- Потому что очень важно определить, как они устроены, их структуру. Это можно сделать в процессе дифракции рентгеновского излучения на кристалле белка. Вам надо превратить белок в кристалл, просветить его рентгеновскими лучами и получить на выходе картинку, как они рассеиваются на кристаллической решётке. Расшифровка полученной таким образом дифракционной картины даёт нам трёхмерную кристаллическую структуру белка и структуру его функционального центра. Это, в свою очередь, важно, в частности, для такой ключевой области как производство лекарств. И вот почему.

Из всего многообразия лекарств можно выделить, грубо, два типа. Первый тип предназначается для того, чтобы компенсировать недостаток выработки каким-либо органом необходимого организму вещества - например, секрета поджелудочной железы. По сути, вы делаете «заменитель» этого секрета. Второй тип – противоположный: он призван компенсировать излишек, например, адреналина. Полезное вещество, которое помогает быстрее реагировать в случае опасности, но при его избытке повышается давление, появляется гипертония. 

Соответственно, перед вами стоят две задачи. Первая: узнать, как устроено вещество, которого мало, а затем синтезировать его аналог-заместитель. Вторая – опять же узнать, как устроен орган, продуцирующий вещество, структуру самого вещества, и выбрать блокатор – «ингибитор».

А для этого нужно изучить атомную структуру этого белка. Сначала выделить его, затем превратить в кристалл, потом отправить на просвечивание источником синхротронного излучения – «как на рентген», - собрать дифракционные данные, расшифровать их на компьютере и восстановить его атомную структуру. Вот, например, перед нами структура леггемоглобина – посмотрите, какая она сложная! А затем вы смотрите, как работает тот или иной атом – железа, например. И делаете соответствующие модели, которые затем используются, в частности, для создания лекарственных средств.

Так что это очень важный элемент кристаллографии - кристаллизация биоорганических или биологических объектов.

- Следующий этап – конструирование?

- Это, скорее, уже задача Курчатовского института. Там в этих целях создан уникальный центр конвергентных нано-, био-, информационных и когнитивных НБИК технологий. А Институт кристаллографии занимается материалом, мы – материаловедческий институт. Первоначально мы занимались геологическим материалом, потом искусственным, лазерным, полупроводниковым, параллельно и ювелирные были кристаллы – такие, как рубин, изумруды, а теперь перешли к органическим кристаллам, биологическим. То есть мы прежде разбирались с кристаллографией на регулярных кристаллах. Это было очень сложно, но мы разобрались. А теперь перешли к значительно более сложным – разупорядоченным и слабоупорядоченным кристаллам. Белковый кристалл уже не так чётко структурирован, как неорганические, он намного сложнее. И мы сегодня перешли к значительно более сложным объектам, чем привычные нам кристаллы. Последние и сегодня остаются важным элементом техники, но с точки зрения физики они более простые объекты, чем различные разупорядоченные биоорганические системы.

Вот смотрите. Самолёты. Раньше они делались из сплавов – алюминий, титан и прочее… А сегодня самолёт делается из композита – а это же  углеродная ткань!

- Слыхал выражение: "Из глины делаем…"

- Да, по сути! Все эти материалы полностью обладают свойствами, присущими моно- или поликристаллическим веществам. Но для того, чтобы они стали таким, надо прежде изучить их структуру, состояние – разупорядоченное, аморфное.

И тут принципиально важная вещь: сегодня Институт кристаллографии обладает большим количеством уникальных методов, использует синхротронное и нейтронное излучение, электронную микроскопию, то есть методики, которые позволяют видеть уже отдельные атомы. Это уникальные методы метрологии в области нано-, биоматериалов.

И вот если говорить объективно о нынешнем положении Института кристаллографии, мы сегодня имеем совершенно новый институт! Устремлённый в будущее, с уникальными возможностями, прекрасными научными школами и громадным научным потенциалом.

- Кстати, о будущем. Что, если помечтать – во что могут вырасти нынешние разработки в каком-то обозримом будущем?

- Во-первых, это глубинное понимание структуры биологических объектов, как функционируют активные центры биомолекул. А это значит – ключ к пониманию сложных, тяжёлых болезней.

Второе –синтез новых лекарств на основе этого понимания, причём лекарств, которые действуют на уровне работы функционального центра каждого белка. То есть совсем новый класс лекарств с учётом достижений в области генетики, персональной медицины. Это важнейшее дело!

Третье, чем мы занимаемся сейчас, - это целевая доставка лекарств. Это так называемое нанокапсулирование , когда создаются специальные капсулы, в которые заключается лекарственный препарат и которые затем доставляют его в «больной» орган. И это - ключевое изменение медицины!

Ведь сегодня любой приём лекарств – это «ковровая бомбардировка». Если утрировать - у вас нарыв на пальце, а вы принимаете лекарство внутрь, отравляя весь организм. Последствия приема некоторых препаратов, в особенности это касается химиотерпии, иногда имеют крайне тяжелые побочные эффекты.  А если можно доставить препарат непосредственно в орган, буквально в клетку, в которой развивается болезнь, - вот это уже…

- …революция в медицине.

- Абсолютно верно. И без кристаллографии она не свершится. И у нас есть подразделение, которое именно нанокапсулированием и занимается.

Это одна часть. Вторая часть связана с созданием принципиально новых технических приборов.  Сегодня кристаллография сама себя дополняет, переводит на новый уровень, а с ней – и будущие технологии, без всякого преувеличения готовые перевернуть нынешнюю цивилизационную парадигму.

О чём идёт речь?

Венец творения – это человек. Мы изучаем  его  и по возможности воспроизводим какие-то функции в технических устройствах. Простые примеры: аудио – моделируем ухо, видео – воспроизводим возможности глаза и так далее.

Но что такое – глаз? Это биологический детектор: приёмник, который видит свет, передатчик сигнала в мозг, а тот уже выступает в роли, упрощённо говоря, интегральной схемы, которая преобразует сигнал в понятное изображение.

Можем ли мы его воспроизвести с помощью биотехнологий? Не сразу, но можем! Для этого опять-таки надо разобраться в том, как устроен живой объект. И сегодня мы благодаря синхротронному излучению, нейтронам, ядерно-магнитному резонансу, суперкомпьютеру детально понимаем устройство биологических субстанций. То есть, таким образом, получаем возможность двигаться в сторону бионики.

Сегодня именно благодаря кристаллографии мы можем соединить органику с неорганикой, то есть создать гибридный материал. А это уже – переход к иному технологическому укладу – бионического типа. Вы представляете последствия этого? Я, честно говоря, с трудом. Потому что глаза разбегаются!

Вот итог работы института за 70 лет. Были выдающиеся мечты, они воплотились в выдающиеся результаты. Сегодня у нас мечты не менее выдающиеся. Уверен, что и за соответствующими результатами дело не станет!

Беседовал Александр Цыганов

/ИТАР-ТАСС/

Поделиться:
Главное в мире
Главное в России