В очередь за излучением

В наукограде Кольцово под Новосибирском полным ходом идет строительство уникальной установки класса мегасайенс — специализированного источника синхротронного излучения СКИФ. Его открытие уже называют главным научным событием грядущего года в России. О том, какие исследования планируют проводить на новом ускорителе, — в материале РИА Новости.

"Волшебные" лучи

В 1895-м немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген во время эксперимента с электрическими разрядами обнаружил новый вид лучей, способных проникать сквозь плотные препятствия. Это положило начало новому этапу познания мира — появилась возможность заглянуть внутрь непрозрачных предметов, не нарушая их целостности.

Лучи Рентгена, за которые ученый первым в истории получил Нобелевскую премию, сразу же нашли применение в медицине. Позже еще один немецкий физик Макс фон Лауэ доказал, что с их помощью можно исследовать строение кристаллических твердых тел. В 1912-м он открыл дифракцию рентгеновских лучей и доказал их волновой характер, за что два года спустя тоже стал нобелиатом.

Благодаря этим достижениям возникло отдельное направление физики, изучающее строение кристаллов на атомарном уровне, — рентгеновская кристаллография. Сегодня с таких исследований начинается создание практически всех новых материалов — от металлических покрытий с заданными свойствами до лекарственных препаратов.

От трубки до синхротрона

Для исследования вещества в качестве источников излучения сначала использовали классические рентгеновские трубки. В 1944-м советский физик Владимир Векслер, описавший принцип работы кольцевого ускорителя элементарных частиц, теоретически обосновал, что электроны, если их разогнать до релятивистских скоростей, вращаясь по круговой траектории, будут сбрасывать часть энергии в виде синхротронного излучения (СИ).

Предсказание подтвердилось, когда во время экспериментов в ускорителях исследователи заметили яркий белый луч, на который уходила часть энергии электронов. Это и было синхротронное излучение. В то время его считали "паразитным". Позднее выяснилось, что спектр СИ чрезвычайно широк: он включает и видимый свет, и ультрафиолет, и инфракрасное, и, что самое важное, рентгеновское излучение. А значит, оно может стать бесценным инструментом для изучения материалов.

Основатель новосибирского Института ядерной физики академик Г. И. Будкер называл ускорители микроскопами современной физики. Если в оптическом микроскопе свет дает изображение внешнего вида объекта, то по картине рассеяния пучка заряженных частиц можно судить о его внутренней структуре. И чем больше энергия частиц, тем ярче картина. Яркость синхротронного излучения выше луча обычной рентгеновской трубки на много порядков. Оно достигает самых глубинных слоев вещества до уровня атомов.

В разных странах действует больше сотни кольцевых ускорителей, относящихся к классу синхротронов. Самый известный — Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе в Швейцарии. В основном на них решают фундаментальные теоретические задачи, а время для практических исследований выделяют по остаточному принципу. Поэтому начиная с 1980-х начали строить специализированные источники синхротронного излучения, ориентированные прежде всего на насущные проблемы.

Принципиальная схема синхротрона (на примере французской установки SOLEIL)

В России две такие установки — в Институте ядерной физики Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) и в Курчатовском институте в Москве. Как источники излучения эти синхротроны не слишком яркие, их относят соответственно к первому и второму поколению. Для сложных исследований в области структурной биологии, химии и материаловедения они уже не подходят. Сейчас нужны источники четвертого поколения.

Вселенная СКИФа

Чтобы преодолеть технологическое отставание, в Новосибирской области в наукограде Кольцово строят синхротрон СКИФ — Сибирский кольцевой источник фотонов. Это установка класса мегайсайенс поколения 4+. По такому важнейшему параметру как эмиттанс (произведение угловой расходимости пучка на размер источника), от которого напрямую зависит яркость, а значит, и качество исследований, он превосходит все зарубежные аналоги.

Основные узлы ускорительного комплекса уже готовы. Журналистам их показали во время экскурсии, организованной в рамках инициативы "Научно-популярный туризм" Десятилетия науки и технологий, предусматривающей посещение объектов нацпроекта "Наука и университеты".

"Мы создаем синхротрон с предельно малым размером электронного пучка, — говорит директор ИЯФ СО РАН академик Павел Логачев. — Это открывает уникальные перспективы многим исследователям в биологии, химии, медицине, физике твердого тела, электронике. Есть установки, которые по параметрам приближаются к СКИФу, но аналогов нет. Создание такого оборудования стало возможным благодаря тому опыту, который имеют сотрудники нашего института. У нас самый передовой в мире уровень по разработке устройств для генерации синхротронного излучения".

Директор Института ядерной физики СО РАН академик Павел Логачев

К концу 2024-го специалисты ИЯФ СО РАН должны закончить производство, сборку и наладку оборудования, а строители — возвести комплекс из 34 зданий и сооружений. В самом большом, диаметром 230 метров, будет располагаться главное ускорительное кольцо общей длиной 476 метров, от которого по периметру отведут десятки каналов вывода на пользовательские станции. Линейный ускоритель, где рождается пучок электронов, и кольцевой ускоритель-бустер небольшого размера разместят в отдельном здании.

На СКИФе планируют изучать структуру различных органических и неорганических веществ, решать вопросы, связанные с генетикой, фармакологией, биомедициной, геохимией, авиастроением и космосом, энергетикой и нефтегазовой отраслью. Первая очередь предусматривает сооружение шести экспериментальных станций, каждая из которых будет специализироваться на своем виде исследований. Для четырех уже закончились конкурсные процедуры, разработана конструкторская документация и началось производство экспериментального оборудования. Всего же вокруг большого кольца ускорителя можно разместить несколько десятков станций.

Схема объектов комплекса "СКИФ"

Любой специализированный источник СИ — это установка коллективного пользования. И СКИФ не исключение. Вокруг ускорителя, входящего в структуру Института катализа СО РАН, формируется целый научно-производственный кластер. На ресурсы СКИФа претендуют Роскосмос и "Газпром нефть", Центр вирусологии и биотехнологии "Вектор", Институт цитологии и генетики СО РАН, Институт сильноточной электроники СО РАН, Новосибирский государственный университет, Томский политехнический университет, Уфимский университет науки и технологий, Красноярский государственный медицинский университет, другие научные, производственные и коммерческие организации.

"СКИФ предназначен для проведения междисциплинарных исследований, — отмечает заместитель директора по научной работе ЦКП "СКИФ" доктор физико-математических наук Ян Зубавичус. — Он будет открыт для любых научных групп как из России, так и других стран".

Замдиректора по научной работе ЦКП "СКИФ" Ян Зубавичус

Структурная биология

Чтобы разобраться в реакциях белковой химии, отвечающих за жизненно важные функции организмов, необходимо увидеть, как молекулы изменяются, взаимодействуя друг с другом. Так как эти процессы очень быстрые, наблюдения должны проводиться со сверхкоротким шагом, чтобы выделить этапы, на которых случаются сбои. Источник поколения 4+ СКИФа идеально подходит для рентгеноструктурного анализа биополимерных соединений — белков и их комплексов. Он позволяет исследовать вещества малой молекулярной массы, а также вести работу, минуя этап кристаллизации путем заморозки.

"Существует общий принцип: минимальный размер изучаемого объекта должен быть больше, чем длина волны микроскопа, — объясняет Павел Логачев. — Здесь размер объектов может достигать одного ангстрема, это размер атома. Причем СКИФ помогает увидеть не только отдельные атомы в составе сложной органической молекулы, но и динамику — как этот атом переходит из одного места молекулы в другое, как идет реакция. Это своего рода кино, которое дает нам возможность наблюдать квантовые объекты".

Фармацевтика

Зная, как устроены и взаимодействуют между собой белки и нуклеиновые кислоты, можно создавать молекулы, которые усиливают или блокируют их активность. Это ускорит разработку противовоспалительных, противовирусных, антибактериальных препаратов.

Давно прошли времена, когда фармацевты получали лекарства смешиванием различных природных или искусственно полученных веществ. Сейчас дизайн препарата начинается с создания компьютерной модели главной действующей молекулы. Затем ее меняют таким образом, чтобы она воздействовала на конкретную мишень, не нанося вред всему организму. Но чтобы перейти от компьютерного моделирования к физическому синтезу, надо определить структуру молекулы, а здесь без рентгеноструктурного анализа не обойтись. С высокой точностью его можно сделать только на синхротроне.

Биомедицина

Государственный центр вирусологии и биотехнологии "Вектор", расположенный также в наукограде Кольцово, планирует использовать СКИФ для широкого спектра биологических исследований. Прежде всего — для изучения вирусов, в том числе новых и потенциально опасных для человека и животных.

Рентгеноструктурный анализ позволяет расшифровать пространственные структуры белковых патогенов, рентгеновская микроскопия — заглянуть внутрь клетки, пораженной вирусом. А рентгенография лабораторных животных покажет, как повреждаются органы и ткани при вирусной инфекции.

"На СКИФе мы собираемся реализовывать весь комплекс мероприятий, необходимых для разработки противовирусных препаратов, начиная от исследования структуры отдельных вирусных белков до рентгеновской микротомографии клеток, тканей и живых лабораторных животных, — рассказывает Анастасия Гладышева, старший научный сотрудник ГНЦ ВБ "Вектор". — Мы ожидаем, что это позволит сделать прорыв в прикладных исследованиях и значительно сократит сроки разработки лекарственных препаратов, вакцин и тест-систем".

Кроме того, высококонтрастная рентгенография помогает диагностировать злокачественные опухоли на ранней стадии, отслеживать приживаемость имплантатов и своевременно выявлять воспалительные процессы, возникающие при протезировании.

Нефтяная геология

На Международном форуме технологического развития "Технопром-2023", который завершился в Новосибирске, восемь организаций подписали соглашение о создании консорциума по внедрению синхротронного излучения в нефтедобыче. В него, помимо ЦКП "СКИФ", вошли Новосибирский государственный университет, НТЦ "Газпром нефти", Томский политех, Казанский федеральный университет, Институт катализа СО РАН, Институт гидродинамики СО РАН и Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН.

Задача проекта — изучить в динамике на микро- и наноуровне процессы, происходящие в горных породах, насыщенных нефтью и газом. Это поможет создать технологии максимального извлечения углеводородов.

Новые материалы

Но больше всего в синхротронных исследованиях заинтересованы разработчики и производители высокотехнологичных материалов. Без рентгеноструктурных исследований сегодня невозможно создание новых металлических покрытий, полимеров и композитов с заранее заданными свойствами, в том числе для работы в экстремальных условиях: в Арктике, космосе, внутри ядерных реакторов и так далее. И здесь уже на первом месте не просто научный интерес, а вопрос технологической безопасности страны.