Версия для печати
Вернуться к списку

Пять достижений петербургских ученых в 2007 году

Петербург часто называют одним из крупнейших научных центров России. По данным Комитета по науке и высшей школе, здесь сосредоточено 11% научного потенциала страны. На территории города расположено 329 научных организаций, включая 49 учреждений Российской академии наук (институты и филиалы институтов), а также 48 государственных вузов. Мы решили отобрать пять ярких научных открытий и исследований, которые в 2007 году были завершены либо достигли существенного уровня значимости. Выбор конкретных сюжетов производился с учетом мнения руководства научных учреждений (институты РАН и государственные вузы) и субъективного мнения редакции.

Впрыснуть в бак

К началу 2008 года в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе (ФТИ) добились высоких показателей работы одного из важнейших элементов термоядерного реактора токамака. «До этого еще очень далеко, но именно токамак в будущем может заменить все ядерные реакторы на АЭС», – говорит профессор Василий Гусев, руководитель сферического токамака «Глобус-М» в ФТИ. Сегодня в мире построено около 300 токамаков различной мощности, в которых изучается реакция управляемого термоядерного синтеза (УТС). Это реакция, обратная той, что происходит в традиционных ядерных реакторах: вместо деления идет синтез ядер. В результате реакции УТС выделяется огромная энергия.

Первый в России токамак «Глобус-М» появился как раз в Физтехе в 1999 году. Это опытная модель – в ней невозможно инициировать реакцию УТС, однако она позволяет исследовать процессы, происходящие в токамаке, а также тестировать различные конструктивные элементы более крупного токамака. На протяжении почти 10 лет группа из нескольких ученых работала над созданием плазменной пушки – устройства, с помощью которого в токамак подаются рабочие газы (топливо) – водород и тритий.

«Подача топлива, или инжекция, – одна из самых сложных задач эксплуатации токамака», – говорит Гусев. Токамак, условно говоря, представляет собой полый «бублик» (тор), где из атомов рабочего газа создается «шнур» из плазмы температурой 100 млн °С (температура солнечного ядра). Во избежание падения мощности реактора атомы должны доставляться прямо в горячую зону шнура. Здесь ключевую роль играют два взаимоисключающих параметра – плотность исходного вещества и скорость его подачи. Существующие технологии инжекции «хромают» либо по одному, либо по другому параметру. Задача осложняется еще и необходимостью обеспечить чистоту поступающего материала.

В 2000 году старший научный сотрудник Физтеха Александр Воронин запатентовал первую версию плазменной пушки. Принцип работы пушки – она ионизирует газы, ускоряет и впрыскивает плазменную струю в токамак. Впоследствии конструкция была усовершенствована. Прорыв заключался в том, что удалось одновременно улучшить два важнейших параметра инжектора – скорость и плотность. Сегодня, спустя семь лет, эти показатели выросли на порядок (например, скорость подачи плазмы – с 20−30 до 200 км/с).

Разработка уже привлекла внимание ученых мира. «Иностранцы предложили нам продать пушку», – говорит Гусев. Однако технологию ученые продавать не собираются – прежде надо довести исследования до логического конца. Как и любой ученый, Гусев надеется, что достигнутые показатели – далеко не предел. Ведь если удастся увеличить скорость впрыскиваемой струи плазмы до 800−1000 км/с, плазменная пушка может составить реальную конкуренцию проверенной, но менее прогрессивной технологии подачи топлива в Международном экспериментальном термоядерном реакторе ITER (международный проект стоимостью 12 млрд долларов).

Минерал без симметрии

Во время одной из научных экспедиций в Хибинах в 2005 году сотрудники Геологического института Кольского научного центра РАН Виктор Яковенчук и его коллеги обнаружили минерал, не подходивший под описания ни одного из существующих. Для проведения экспертизы и исследования внутреннего атомного строения минерал отправили в Санкт-Петербургский государственный университет. Работами по исследованию нового минерала руководил заведующий кафедрой кристаллографии географического факультета, один из самых молодых докторов наук Сергей Кривовичев. После того как процедура была завершена, сотрудники Кольского научного центра предложили присвоить минералу название кривовичевит.

На данный момент известно всего около 4 тыс. минералов. Каждый год их число увеличивается примерно на 20 наименований (30 в «грибной» год). Название минерала обычно отражает состав или свойства, иногда – место происхождения, а иногда минерал называют в честь ученого-минералога. Именно так и произошло в данном случае. Тот факт, что минерал является действительно новым, а также его название утверждены в прошлом году Комиссией по новым минералам Международной минералогической ассоциации.

Помимо расширения нашего знания о разнообразии минерального мира открытие кривовичевита может иметь важные последствия. Новый минерал открывает ученым как минимум два направления исследований.

Во-первых, кристаллический анализ навел ученых на мысль, что кривовичевит – одна из переходных фаз свинца. В то же время его нестабильная форма (разрушается под воздействием воды) позволяет предположить, что следующей является устойчивая и высокотоксичная фаза, в которой свинец присутствует в атмосферном воздухе и воде. Изучение сходства состава кривовичевита и его «атмосферной» фазы может подсказать ученым способ «перехватить» или «капсулировать» свинец до его попадания в атмосферу (например, из медно-никелевых и сульфидных месторождений). Сергей Кривовичев предполагает, что можно создать химические соединения наподобие «жертвенных материалов», которые закладываются в фундамент атомных электростанций.

Вторая особенность найденного минерала – отсутствие центра симметрии в его кристаллической структуре. Минералы с такими свойствами используются, например, в лазерах для удвоения их частоты. Подобных минералов считанное количество, и ученые буквально охотятся за ними. Помимо лазерной оптики нецентросимметричные минералы используются в пьезоэлементах, микросхемах для сотовых телефонов, пироэлектронике и других сферах. Минералом уже заинтересовались некоторые лаборатории России, занимающиеся вопросами материаловедения.

Для дальнейших исследований необходимо синтезировать искусственный кривовичевит, ведь минерал является новым и с точки зрения химии. Малый масштаб исследований и невозможность поделиться кривовичевитом с коллегами связаны с тем, что подтвержденный ареал его распространения пока ограничивается Кольским полуостровом. Изобретение методов экономичного синтеза потребуется и в случае промышленного изготовления.

Аппарат для игры на струнах

В среде ученых до сих пор идет ожесточенный спор о том, в какой степени физик должен быть математиком. Однако по мере усложнения физики рассуждать чисто понятийными категориями без математической поддержки становится все сложнее. Именно для описания некоторых явлений, свойственных квантовым моделям, отлично подошел созданный в конце 1980−х годов известным петербургским математиком Людвигом Фаддеевым и его учениками квантовый метод обратной задачи (КМОЗ).

После появления КМОЗ физики-теоретики во всем мире подхватили новый математический аппарат и попытались применить его к своим текущим задачам. С помощью КМОЗ удалось более точно описать явления сверхпроводимости, процессы фазовых переходов, дополнить инструментарий теории струн. Исследователи квантовых компьютеров обнаружили, что системы, описываемые с помощью КМОЗ, довольно близки системам в их сфере. Специалисты по теории струн посчитали возможным с помощью КМОЗ проверить связь теории струн с квантовой теорией поля.

В 2007 году в авторитетном журнале Contemporary Mathematics были опубликованы результаты двухлетней работы по развитию КМОЗ. Заведующий лабораторией математических проблем физики Петербургского отделения Математического института им. А.В. Стеклова Петр Кулиш совместно с коллегой Андреем Мудровым разработал так называемые динамические обобщения квантового метода обратной задачи.

Модель квантовой системы, которую описывает стандартный КМОЗ, выглядит так: частицы расположены на окружности и каждая из них взаимодействует только с двумя соседними. Более сложной является задача, когда окружность имеет разрывы, то есть появляются границы. «Эта задача богаче. Учет границ потребовал обобщения уравнений КМОЗ на этот более сложный случай», – объясняет Кулиш. На практике динамические обобщения КМОЗ позволяют описывать такие квантовые системы, которые испытывают воздействие извне, например со стороны некоего магнитного поля или внешних частиц.

Динамические обобщения КМОЗ уже «обкатываются» в ряде научных центров мира. Ими заинтересовались специалисты по теории струн и квантовым компьютерам, а также физики-теоретики, занимающиеся теорией квантового пространства-времени. «Изобрести матаппарат – лишь часть задачи. Ничуть не меньшая трудность – увидеть, где он может быть применен», – говорит Кулиш. Разработка Кулиша и Мудрова включена в список лучших работ за 2007 год по Математическому отделению Российской академии наук.

Завод человеческой кожи

Минерал кривовичевит, возможно, подскажет ученым, как снизить содержание свинца в атмосфере

В конце 1980−х годов в отделе клеточных культур Института цитологии РАН (ЦИН) работа закипела: институт начал получать финансирование от Минобороны СССР в рамках секретного проекта под кодовым названием «Адамант». Проект предусматривал создание технологии восстановления поврежденного кожного покрова. Перед учеными поставили задачу научиться спасать жизни людей, получивших критические и сверхкритические ожоги, при которых обычные методы лечения бессильны. Отдел клеточных культур – на тот момент одно из передовых учреждений страны, обладавшее уникальной коллекцией клеточных линий и специалистами на вес золота, – в течение восьми лет занимался решением этой задачи.

Финансирование оборвалось с началом перестройки, однако важнейшие результаты уже были получены. Под руководством профессора Георгия Пинаева в отделе клеточных культур были выделены клетки верхнего слоя кожи – кератиноциты, которые помещались на ожог и достаточно быстро трансформировались в кожу. Так впервые в нашей стране ученые познакомились со стволовыми клетками. Дело в том, что среди кератиноцитов находятся стволовые клетки взрослого организма, которые могут превращаться в клетки верхнего слоя кожи. Организм запускает этот процесс в случае повреждений – неглубоких ожогов и ссадин.

Все эти годы ученые продолжали исследования, и в 2007 году Институт цитологии получил официальное разрешение на производство и клиническое использование созданного ими дермального эквивалента (ДЭ). ДЭ оказался эффективным средством заживления ожогов, при которых повреждены более глубокие слои кожи (дерма). Это особенно «важный» слой, поскольку он создает фундамент для сложной архитектуры кожного покрова. ДЭ является комбинацией коллагенового геля (выполняет функцию «подложки») и включенных в него клеток-фибробластов, формирующих дерму.

ДЭ как метод лечения успешно прошел клинические испытания. Два случая в свое время буквально наводнили полосы петербургских газет. Девушка с ожогом 90% кожи и молодой человек с ожогом 98% кожи сегодня уже вернулись к нормальной жизни. Как оказалось, ДЭ может быть использован для лечения не только ожогов, но и трофических язв, свищей и пролежней. На очереди – создание полного эквивалента кожи. Это сочетание ДЭ и многослойного пласта кератиноцитов, которое позволит более эффективно лечить различные кожные повреждения.

Получив возможность лечить, Пинаев задумался об организации производства ДЭ. Ведь невозможно продолжать исследования, когда поступают серийные заказы от клиник. Такие заказы уже есть, например от НИИ Скорой помощи, Военно-медицинской академии, Детского ожогового центра и др. Сейчас рассматривается вариант финансирования из средств Регионального венчурного фонда Санкт-Петербурга. Требуется порядка 20 млн рублей для подготовки помещения и специалистов, оборудования «чистых комнат».

Параллельно в отделе клеточных культур ведутся исследования в сфере клеточной терапии. Георгий Пинаев называет три типа тканей, которые, возможно, удастся восстанавливать более эффективно, – кости, хрящи и сердечная мышца. Для этого будут использоваться разные типы стволовых клеток взрослого организма. По некоторым направлениям есть положительные результаты опытов на животных – зарастание травм черепа, восстановление работы сердца после инфаркта и т.д. «Однако это очень долгосрочные исследования. Мы пока только наблюдаем определенные положительные эффекты, но не знаем их механизма», – говорит Пинаев.

Тихие материалы

Объединить полезные свойства полимеров двух разных классов удалось ученым из Института высокомолекулярных соединений (ИВС) РАН. В лаборатории механики полимерных материалов в 2007 году завершены работы по синтезированию полиимидных материалов, сочетающих высокую термостойкость, трещиностойкость и способность к кристаллизации.

Кристаллизация – ключевое свойство, которому в ИВС «научили» полиимидные материалы. В отличие от американского конкурента ULTEM компании General Electric (у которого разрушение начинается после 215°С), новый класс полиимидов при низких температурах находится в кристаллическом состоянии, при 215°С начинается процесс расстеклования и только при 315°С – плавление. Кристаллизация позволяет материалу выдерживать повышенные температуры. «В классе полиимидных материалов нам удалось превзойти существующие мировые аналоги», – говорит заведующий лабораторией доктор физико-математических наук Владимир Юдин.

Разработкой заинтересовался ряд научных учреждений и промышленных предприятий. Так, ООО «ТехХим-Пром» (Ярославль) предложило ИВС организовать совместное производство полиимидов. Фактически производство уже идет: в ИВС получают лабораторные образцы для петербургского ЦНИИ КМ «Прометей». Известный изготовитель конструкционного оборудования, «Прометей» заказал партию подшипников сухого трения из полиимидных материалов, которые должны быть еще более термостойкими, чем подшипники из традиционных углепластиков. С московским Институтом авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ») идет разработка деталей авиационных двигателей, изготовленных из композитных материалов на основе полиимидов. По сравнению с традиционными металлическими такие двигатели будут более бесшумными, что соответствует требованиям Европейского союза.

Как будут дальше идти дела, во многом зависит от решимости инвесторов и поддержки государства. Рынок полиимидных материалов достаточно конкурентный – на нем лидируют такие компании, как General Electric, DuPont и др. Стоимость ULTEM сегодня составляет около 10 долларов за 1 кг, в то время как средняя стоимость 1 кг полиимидных материалов – около 100 долларов. Скорее всего, полиимиды ИВС на первых порах не могут обойтись дешевле. «Все зависит от того, в каких объемах они будут производиться, при условии что вообще будут», – говорит Юдин. Он и его коллеги настроены оптимистично.