Дальневосточные учёные черпают нанотехнологии из океана

Вчера во Владивостоке открылся 16-й международный симпозиум «Наноструктуры: физика и технология». Для академической науки Дальнего Востока это событие беспрецедентно по своему масштабу и значению: к нам прибыли ведущие отечественные и зарубежные учёные, занимающиеся исследованиями в ключевой для современной цивилизации области научных знаний во главе с Нобелевским лауреатом 2000 года, вице-президентом Российской академии наук Жоресом АЛФЁРОВЫМ. И только из-за внезапной болезни не смог прилететь второй сопредседатель симпозиума – 83-летний Лио ЭСАКИ (Leo Esaki), Нобелевский лауреат 1973 года, бывший директор IBM.

Мы уже начали привыкать, что ввиду предстоящего саммита лидеров стран и экономик АТЭС во Владивосток зачастили политики «первой величины». Но научных светил подобного ранга у нас ещё не было (единственный Нобелевский лауреат, посетивший Приморье до этого, – писатель Александр СОЛЖЕНИЦЫН, и то проездом). Однако если проведению саммита-2012 и вниманию политиков Владивосток обязан исключительно своим географическим положением, то выбор места проведения симпозиума (традиционно нанотехнологи собирались в «вотчине» Алфёрова – Санкт-Петербурге и лишь в прошлом году – в Новосибирске) был обусловлен ещё и признанием заслуг институтов ДВО РАН в области нанотехнологий. В первую очередь – Института автоматики и процессов управления (ИАПУ), избранного в качестве организации, ответственной за проведение научного саммита. Достижения ИАПУ ДВО РАН в области нанофотоники и наноэлектроники широко известны в России и за рубежом.

Сегодня «В» представляет своим читателям директора института – это член-корреспондент РАН, заместитель председателя Дальневосточного отделения РАН, отвечающий за его инновационную политику, профессор Юрий КУЛЬЧИН. Но сначала в силу специфики материала необходимо «определиться в понятиях»: что же такое нанотехнологии, о которых сегодня так много говорится на самом высоком уровне?

~~Справка «В»

Кульчин Юрий Николаевич. Член - корреспондент РАН, профессор, доктор физико-математических наук, заслуженный деятель науки РФ, заместитель председателя ДВО РАН по инновационной политике. Специализируется в области физической и нелинейной оптики, физики полупроводников, оптоэлектроники, оптической обработки информации, волоконно-оптических датчиков и измерительных систем. Проректор по научной работе ДВГТУ, директор НИИ океанотехники при ДВГТУ, заведующий лабораторией прецизионных оптических методов измерений ИАПУ ДВО РАН. Научный руководитель Дальневосточного регионального центра коммерциализации научно-технических результатов. Заведует базовыми кафедрами квантовой и оптической электроники ДВГТУ и лазерной физики и оптоэлектроники МГУ им. Невельского. Директор научно-образовательного центра «Оптоэлектроника и информационные технологии» ДВГУ. В 2002 году получил золотую медаль на Всемирном салоне инноваций «Брюссель-Эврика» за создание «Интеллектуальной оптоэлектронной измерительной системы». ~~

Очень короткий экскурс в историю вопроса: ещё в 1959 году всемирно известный физик Ричард ФЕЙМАН прочитал в Калифорнийском технологическом институте лекцию под названием «Внизу полным-полно места». «Внизу» - это на уровне атомов и молекул. Фейман говорил о фантастических перспективах, которые открываются перед человечеством в области нанотехнологий и наноструктур. Правда, сами эти понятия появились намного позже – в 80-е годы прошлого века, когда изобрели сканирующие зондовые (тоннельные) микроскопы, позволяющие учёным увидеть отдельные атомы, что называется, «в лицо». Отметим, что Лио (по японски – Леана или Реана) Эсаки получил свою четверть Нобелевской премии за открытие так называемого тоннельного эффекта в полупроводниках в 1973 году, а Жорес Алфёров проводил свои основополагающие исследования в области полупроводников в 50-70-е годы и получил за это Нобелевскую премию в самом конце века – в 2000 году.

А ещё через семь лет в России был создан «Роснанотех» - государственная корпорация, через которую осуществляется финансирование научных разработок в данной области. С этого времени российская естественнонаучная мысль, уже отчасти воспрянувшая от бюджетного секвестрирования 90-х годов, получила мощный стимул и направление исследований – не только в столицах, но и в регионах.

Российский толковый словарь определяет нанотехнологии как технологии объектов, размеры которых составляют порядка 10 в минус девятой степени метров, что сопоставимо с размерами атомов и молекул («нано» - девять по латыни). Нанотехнологии включают в себя атомную сборку молекул, новые методы записи и считывания информации, локальную стимуляцию химических реакций на молекулярном уровне. Они позволяют создавать новые материалы с заданными свойствами путём конструирования их из отдельных атомов и молекул, в том числе создаются структуры биологического характера.

По словам Жореса Алфёрова, ещё в декабре 2002 года на специальной сессии РАН было дано следующее определение: «Под нанотехнологиями следует понимать такой процесс, когда мы строим материал, структуру, прибор на атомном уровне, укладывая атом к атому. При этом переход к малым размерам должен приводить к появлению новых свойств, которых нет в окружающем нас мире». И ещё одна цитата из Жореса Ивановича: «Наибольшее влияние на цивилизацию XXI века окажут нанобиотехнологии».

Пророчество патриарха российских нанотехнологий уже реализуется – здесь, у нас, в дальневосточном Академгородке. Этот процесс имеет официальное название: «Целевая комплексная программа фундаментальных исследований «Получение, исследование и моделирование биогенных и биомиметических наноструктурированных материалов» на 2008-2012 годы». Программа выполняется несколькими институтами ДВО РАН, но координирующая роль принадлежит именно ИАПУ. В просторечии он известен владивостокцам как «институт с шаром» - благодаря сферическому корпусу спутниковой антенны на крыше здания ИАПУ.

Этот институт был окутан облаком легенд и недомолвок с момента создания в 1971 году из-за секретного характера большинства направлений его деятельности, связанных с обеспечением стратегической безопасности морских рубежей СССР и страны в целом. Работа сотрудников ИАПУ в представлении заурядных горожан граничила с научной фантастикой – чего стоил только отдел искусственного интеллекта, созданный в далёком 1974 году! Госзаказ Минобороны, кстати, продолжает выполняться здесь и в наши дни, хотя и в несравненно меньших объёмах.

Открытия сотрудников института по-прежнему граничат с фантастикой, но если раньше учёные посредством математического моделирования погружались в глубь океана вслед за подводными ракетоносцами, то сейчас к этой причине интереса к морским глубинам добавились древние обитатели океана – водоросли и губки. Более всего учёных ИАПУ во главе с Юрием Кульчиным заинтересовали так называемые стеклянные губки: в отличие от большинства других видов их скелет состоит не из соединений кальция, а из двуокиси кремния. А кремний, как известно любому школьнику, является основой электроники, в том числе компьютеров и оптоэлектроники, а теперь ещё и наноэлектроники.

- Почему симпозиум нанотехнологов проходит во Владивостоке? Я бы выделил два момента, - говорит Юрий Кульчин. - Во-первых, это политика государства, не только вставшего на путь инновационного развития, но и твёрдо обозначившего приоритеты на своей восточной окраине. Нужно подчеркнуть, что нанотехнологии являются ключом к инновациям, на которые государство сделало упор в стратегии своего развития. Поиски и открытия в этой области – отнюдь не прерогатива центра, нанотехнологиями активно занимаются во многих регионах. Как оказалось, мы здесь продвинулись достаточно далеко. Почему? У нас есть преимущество естественного характера – океан, и это второй определяющий момент.

Из океана вышло всё, жизнь возникла в океане, и им она поддерживается. Когда говорят, что лес – это лёгкие планеты, ошибаются: лёгкие планеты – это океан, большая часть кислорода вырабатывается мельчайшим планктоном. Миллионы лет природа экспериментировала, создавая организмы, способные жить в морской глубине, и в том числе она занималась нанотехнологиями. Сейчас как никогда ценен тот огромный опыт исследований океана, который накоплен дальневосточными учёными за десятилетия работы институтов ДВО РАН.

Мой научный интерес к обитателям морских глубин возник в 1991 году, правда, по вполне анекдотическому поводу. Будучи на стажировке в Дубне, прочёл в местной газете заметку о тридакне – огромном моллюске, который якобы обитает на больших глубинах и питается водорослями, живущими внутри него. Журналист написал, что тридакна выращивает волокна, по которым свет из менее глубоких слоёв воды поступает внутрь её раковины. Вернувшись во Владивосток, первым делом отправился к специалистам-биологам, но они меня разочаровали: корреспондент всё напутал. На самом деле, тридакна живёт не так глубоко - свет там есть. Чтобы подставить лучам солнца водоросли, которые действительно растут внутри неё, она раскрывается, буквально выворачиваясь наружу. Но никаких живых световодов у неё нет.

Однако идея найти биологические оптоволокна не забылась, и несколько лет назад я случайно упомянул о ней в Институте океанологии. И вдруг услышал, что на дне океана живут объекты со структурами, весьма напоминающими световоды. Профессор ДРОЗДОВ из Института биологии моря сообщил мне, что существ, которые меня интересуют, на планете хватает. Это и радиолярии, диатомовые водоросли, составляющие основу планктона, и морские ежи, иглы которых сделаны из двуокиси кремния. Перламутр моллюсков тоже содержит двуокись кремния. Но более всего заинтересовали нас так называемые стеклянные губки, которые насчитывают всего 34 вида. У них есть спикулы - иглы, состоящие из слоёв двуокиси кремния и белка. Спикулы в зависимости от типа и строения губки используются в разных целях: как скелетная основа, как «якорная цепь» или для защиты. Длина спикулы порой доходит до двух метров, а диаметр - от одного микрометра до трёх сантиметров.

Мы работали со стеклянными губками величиной до 50 см. Это редкостные создания, уже около пятисот миллионов лет живущие на глубине от 20 метров до 5 километров. Внешне они выглядят как мешок, сквозь который прокачивается морская вода, несущая в себе массу органики. Она-то и служит губкам питанием. Но если посмотреть в сильный микроскоп, то можно увидеть сложную структуру: срез спикулы, например, похож на спил дерева с отчётливо выраженными годовыми кольцами. Изучив его сквозь атомный микроскоп, дающий увеличение в десятки тысяч раз, мы увидели, что эти кольца собраны из блоков толщиной от 5 до 400 нанометров. Они представляют собой строго выверенную конструкцию - с определённой толщиной слоёв, частотой и размерами промежутков между ними. В центре спикулы - белковая нить, вокруг неё, как оплётка провода, двуокись кремния, затем снова белок, потом снова двуокись кремния. Это не что иное, как сотворённый природой композитный материал, рассчитанный на километровые глубины. При этом волокно спикулы настолько гибкое, что его можно хоть в узел завязывать. Но главное, что оно проводит свет, являясь природным оптоволокном.

- За подтверждением наших догадок и открывшихся перспектив мы обратились к коллегам в Институте биологии моря, Тихоокеанском институте биоорганической химии, Институте океанологии, Иркутском лимнологическом институте, изучающем микроорганизмы Байкала, - продолжает Юрий Николаевич. – Они провели свои анализы, подтвердив наши предположения, и в дальнейшем мы начали работать совместно. Всё, что достигнуто к настоящему времени – а это открытия мирового уровня, которые мы с гордостью представим на симпозиуме по нанотехнологиям, - продукт тесного сотрудничества примерно пятидесяти специалистов высочайшего академического уровня. Сделать это удалось потому, что несколько лет назад в ДВО РАН и Сибирском отделении была принята концепция междисциплинарного развития: специалисты и уникальное оборудование собрали в центры коллективного пользования. Там могут сделать любой анализ, в частности, там увидели, что механическая прочность у спикул - как у плавленого кварца, то есть как у стали. Но свет по нему бежит не как по обычным световодам, и это отличие обусловлено наноразмерами слоёв двуокиси кварца. Передаваемый световой импульс короче, чем в известных световодах, а чем короче импульс – тем больше информации можно передать, тем меньше размывание сигнала, который можно передать на большее расстояние.

Дальше – больше. Мы посветили на спикулу и увидели, что флюоресцирует в зелёной области. Совсем недавно мы доказали, что красный свет в её волокне управляет зелёным. Инфракрасный свет преобразуется в видимую часть спектра, то есть спикула представляет собой природный фотонный кристалл. Но искусственные кристаллы не превышают в размерах одного сантиметра, а здесь он достигает одного-двух метров!

- Есть два пути для создания наноструктур, включая фотонные кристаллы: химико-физический и биологический. В первом случае нужны очень специфические и жёстко ограниченные условия, а второй путь, который изобрела сама природа, таких ограничений не требует: в океане, где белок образует кремниевые наноструктуры, условия могут быть самыми разными, включая чистоту окружающей среды. Мы решили, что должны заставить работать белок, и провели эксперимент, который ещё никто из людей не делал: в растворе ортокремниевой кислоты получили кристаллы. Затем выделили геном белка губки и вставили его в клетку очень распространённого и продуктивного растения. Результатом стала доказанная возможность создания уникального материала с множеством областей применения, другим существующим материалам недоступных – от оптоэлектроники до создания корпусов глубоководных аппаратов.

Нужно подчеркнуть ещё раз, что это достижение не только нашего института, но всех вышеперечисленных институтов. И это далеко не единственный прорыв в научной области, который мы совершили в области нанотехнологий и наноструктур. Упомяну лишь о диатомовой водоросли, белок которой делает отверстия размером около 250 нанометров. Наши учёные покрыли эту решётку золотом, и полученная наноэлектронная схема проявляет электрофизические свойства, подобные генератору электрических импульсов. Увидеть её нельзя, но нужно как-то припаять контакты, - улыбается Юрий Николаевич. - Наконец, уникальные возможности обещает применение полученного нами на основе спикулы материала в медицине. Он полностью неаллергенен и в качестве протеза не отторгается костной тканью человека.

Всё это и кое-что другое, о чём пока говорить ещё рано до регистрации патентов, позволяет нам не просто с полным правом проводить 16-й симпозиум, но представлять на нём открытия безусловно мирового уровня. Ещё два года назад впереди были все – и немцы, и американцы с их баснословным финансированием от «Боинга», «Нэйви Рисёрч» и подобных организаций. А мы пока работаем на собственные средства ДВО РАН…

Автор: Александр Карташов Анисимович