Материалы портала «Научная Россия»

До мельчайших атомов

Разглядеть даже такие крошечные кирпичики мироздания, как атомы, — дело самое рутинное, утверждает завлабораторией электронной микроскопии Курчатовского института Александр Васильев

Человек — существо визуальное. Большую часть информации мы получаем с помощью зрения, обозревая предметы. Некоторые из них еще совсем недавно были в силу своих малых размеров недоступны для нашего глаза. Однако сейчас разглядеть даже такие крошечные кирпичики мироздания, как атомы, — дело самое рутинное, утверждает заведующий лабораторией электронной микроскопии Курчатовского института кандидат физико-математических наук Александр Леонидович Васильев 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- Ваша лаборатория, насколько я знаю, одна из самых молодых в Курчатовском институте?

- Пожалуй, не самая, но молодая. Лаборатория электронной микроскопии была создана в 2008 г. Я тогда вернулся из Америки, где проработал 12 лет, и Михаил Валентинович Ковальчук, директор института, предложил мне заняться электронной микроскопией в только создаваемом им в то время Курчатовском НБИКС-центре. Я предложение принял, хотя у меня была возможность продолжить работу в США. 

- Почему вы согласились?

- По ряду причин. На первом месте, конечно, были чисто научный интерес и большие перспективы, которые здесь открывались. Уже тогда М.В. Ковальчук формировал новую научную идеологию конвергенции нано-, био-, инфо- и когнитивных наук и технологий для

создания принципиально новых гибридных элементов и систем бионического типа. Я также понимал, что у меня здесь будет большая свобода творчества и возможность работать на самом современном научном оборудовании. 

- То есть не по патриотическим причинам?

Грани личности

- Я окончил МИФИ в 1979 г., после чего проработал в нем еще три года, а потом перешел в Институт кристаллографии им. В.А. Шубникова АН СССР. Мне повезло, что я туда попал, там начал свою карьеру в лаборатории электронной микроскопии, одной из лучших в мире. Кроме этого, в то время у института были очень тесные связи с Центром микроскопии в городе Халле, ГДР. Этот центр, созданный при участии, в том числе и финансовом, СССР, был точкой притяжения ученых практически всех стран социалистического лагеря, да и не только социалистического. Так что уже тогда появилась возможность там поработать, наладить контакты и чему-то поучиться. Потом, благодаря наработанным международным научным контактам, я начал работать в Бельгии, в Швеции и т.д. Но институт кристаллографии — моя вторая альма-матер, и, безусловно, он занимает особое место в моей жизни.

- Патриотические причины, разумеется, тоже присутствовали. Каждому нормальному человеку хочется работать на родине, приносить ей пользу, тем более в таком знаковом институте. Сейчас немало из тех, кто уехал в 1990-е гг., возвращаются; здесь, в Курчатнике, таких около двух десятков. И это, поверьте, не какие-то средней руки научные сотрудники, которые не нашли себя на Западе, а вполне состоявшиеся и уважаемые ученые . 

- Лабораторию начинали с нуля?

- Здесь да, с нуля, но не на пустом месте. И это была третья важная причина, по которой я согласился на предложение. Лаборатория начала развиваться во взаимосвязи с мощными школами электронной микроскопии и рентгеновской дифракции, которые долгое время существуют в Институте кристаллографии им. А.В. Шубникова. В этот институт я пришел в начале 1980-х гг. Эти школы начали развивать еще в 1960-е гг. тогдашний директор института академик Б.К. Вайнштейн и заведующий лабораторией, в которой я работал, член-корреспондент РАН Н.А. Киселев, а при следующем директоре, члене-корреспонденте РАН М.В. Ковальчуке они вышли уже на качественно новый уровень (так сказать, на наноуровень). Надо отдать ему должное: благодаря его усилиям даже в тяжелый период для российской науки работы в этой области в институте не только не угасли, как во многих других российских научных заведениях, но и успешно развивались. Так что стартовали мы именно опираясь на опыт Института кристаллографии, на помощь моих друзей и коллег оттуда. И вот через пять лет я могу уверенно сказать, что сегодня наша лаборатория — одна из лучших в России, и она конкурентоспособна по отношению к ведущим мировым лабораториям. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 - Сколько у вас здесь работает специалистов?

- В настоящее время — пять человек. В основном это молодые ребята, которые пришли к нам совсем недавно. Но они уже сейчас фактически профессионалы международного уровня. 

- Не боитесь, что они окончательно выйдут на этот международный уровень и уедут из России?

- С моей точки зрения, в этом нет ничего страшного, это естественный процесс – люди уезжают и приезжают. Ученому необходимо поработать за границей, чтобы иметь широкий кругозор, понимать, как функционируют лаборатории и институты в других странах. Любой наш ученый, работающий за границей, во-первых, пропагандирует уровень нашей науки. Во-вторых, возвращаясь в Россию, он привозит с собой полученный за рубежом научный опыт. Наука от такого обмена умами и знаниями крепнет значительно быстрее, чем в условиях железного занавеса. Это естественный процесс, он происходит во всем мире, люди ездят и знакомятся с разными работами, общаются и взаимообогащаются. 

Предельное разрешение

- Какая задача была поставлена перед вами профессором М.В. Ковальчуком в 2008 г.?

- Первая — конечно, научная: создание современного центра электронной микроскопии, нацеленного на изучение биоорганических и гибридных материалов. Другая задача – организационная: подбор специалистов, определение планов закупок оборудования. В микроскопии «приборный» фактор важен, как нигде. Сегодня наша лаборатория оснащена на уровне, как говорится, лучших мировых стандартов. 

- Микроскопия — одна из наиболее технологичных областей науки. Какой же техникой вы вооружены?

- Наша основа — два больших, сложнейших прибора. Первый — электронно-ионный растровый микроскоп «Гелиос». Это настоящий многофункциональный комбайн. С его помощью можно не только исследовать материалы в широком диапазоне увеличения, включая нанометровый, но и создавать конструкции и приборы, перемещать отдельные части, формируя микро- и наномеханические устройства. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 - Перемещать атомы?

- Перемещать атомы на этом приборе нельзя. Зато можно напылять пленки, делать трехмерные структуры. Можно выполнять достаточно рутинную, но важную работу - изготавливать образцы для просвечивающей электронной микроскопии, подводить электроды к наноструктурам, нанотрубкам и измерять их электрические характеристики. Второй прибор — единственный в России просвечивающий растровый электронный микроскоп «Титан» с разрешением 0,79 ангстрем. Вы, конечно, знаете, что 1 ангстрем — примерный диаметр орбиты электрона атома водорода в невозбужденном состоянии. Таким образом, наш «Титан» имеет субатомное разрешение. С его помощью можно легко изучать отдельные атомы, молекулы, нанокристаллические структуры. Это тоже научно-технологический комбайн. Он оборудован двумя системами микроанализа, посредством которых можно не только визуализировать атомы, но и получать спектроскопические данные о материалах, в том числе исследовать их химические свойства. Для обоих микроскопов нужна почти абсолютная стабильность температуры, иначе начинается дрейф, падение разрешения. Установка приборов требует развязанных фундаментов, что также было у нас сделано. 

- Поэтому ваша лаборатория находится в подвале?

- Конечно, здесь меньше вибраций, электрических полей, стабильнее температурный режим. Все это входит в инфраструктуру современной лаборатории, и затраты на нее сравнимы со стоимостью приборов. Кроме того, у нас в лаборатории один из лучших в мире наборов оборудования по приготовлению образцов. Здесь есть все, что нужно для того, чтобы приготовить любой материал, начиная от мягких материалов, например полимеров, и заканчивая сверхпроводниками. 

- Вся эта аппаратура делается на заказ?

- Практически вся. «Гелиос» в меньшей степени, потому что этот прибор проще. То есть он собирается на заказ, но из готовых блоков и сравнительно быстро. А просвечивающий микроскоп, безусловно, полностью на заказ - и его изготовление занимает в зависимости от комплектации от полугода. 

- Почему так долго?

- Это очень сложная высоковакуумная система, причем для каждого прибора она специализированная. В «Титане» около шести различных насосов - для высокого вакуума, среднего, низкого. Электронный микроскоп фактически содержит линейный ускоритель: он включает генератор высокого напряжения и собственно ускоритель, затем в нем стоит мощнейшая электронно-оптическая система. Сейчас начали использовать корректор аберраций, который как раз и позволяет работать с субангстремным разрешением. Это не просто сложнейшие электронно-оптический и электронный блоки, по сути, это отдельный микроскоп. Различных детекторов в современном микроскопе может быть около восьми. Системы пневматики, охлаждения — и все надо не просто собрать воедино, но еще и наладить, и настроить. Так что полгода для прибора такого класса — совсем не так уж много. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 - 0,79 ангстрема — это предел, или в мире есть еще более мощные микроскопы?

- Достигнутый на сегодня максимум — 0,5 ангстрема, что позволяет исследовать любые материалы с атомарным разрешением во множестве проекций. Раньше это было существенной проблемой. Возьмем кремний – материал, который, пожалуй, наиболее широко используется в производстве полупроводниковых приборов. Его в свое время могли изучать с атомным разрешением только в одной проекции, по одному направлению. При повороте подобное разрешение было уже не доступно. Теперь эта проблема решена. 

- Зачем?

- Если вы исследуете дефект, наиболее точно определить его структуру возможно только изучая его в трех измерениях. Структура дефектов влияет на свойства приборов. Уточнение дефектной структуры материалов и, в частности, кремния, основы для полупроводников, было напрямую связано с развитием микроскопии. Сейчас практически все материалы уже можно исследовать в разных проекциях, и большее разрешение пока не нужно. Но ведь нет пределов совершенству. Предложение всегда диктуется спросом. Сейчас нет ни практического, ни экономического смысла создавать приборы с большим разрешением. Даже с сегодняшними технологиями, по моим представлениям, можно достичь 0,1 ангстрема, но это будет дорого и невостребованно. С существующей техникой мы сегодня видим все, что хотим. 

- Аппаратура аппаратурой, но, как известно, все решают кадры. Без хороших специалистов вся эта техника не более чем груда железа.

- Вы даже не представляете, насколько вы правы. Без хорошего специалиста аппаратура не просто фигурально превращается в груду железа, но становится ею фактически. Средний срок подготовки, скажем так, хотя бы наполовину специалиста - это год. Год нужно просто сидеть рядом с человеком, рассказывать и показывать. Потому что сломать прибор очень просто, а вот чтобы отремонтировать, требуются очень серьезные временные и финансовые затраты. Правда, когда у нас вышел из строя блок питания, наши ребята разобрались в нем и починили сами. Три месяца соображали, но сумели, теперь он работает нормально, и если с ним что-то опять случится, справиться будет на порядок проще. 

- Где готовят таких специалистов?

- В МГУ, меньше — в МИФИ и МИСиС. Очень хорошие, сильные ребята выпускаются сейчас факультетом НБИК-технологий, созданным М.В. Ковальчуком на базе Курчатовского института при знаменитом Физтехе. Из прошлого выпуска двое пришли к нам, в нашу лабораторию. Могу уже сейчас сказать, что уровень этих молодых сотрудников очень высокий, им интересно у нас работать, да и престижно. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Три четверти ангстрема

- База у вас серьезная. Какие интересные исследования на ней проводились?

- У нас все исследования интересные. Кроме того, они очень разные. Наряду с изучением биоорганических объектов активно развивается большая программа по исследованию низкотемпературных сверхпроводников, в том числе в рамках проекта ITER

- С высокотемпературными работаете?

- Конечно, с лентами высокотемпературных сверхпроводников второго поколения тоже очень интересная работа. Мы в этом направлении продвигаемся довольно успешно. Ведутся исследования полупроводников, но это вообще классическая тематика для микроскопии. Изучаем гетероструктуры, изолирующие слои, пористые структуры. Сравнительно недавно начали очень интересную тематику – исследование полимеров, в которые внедрены различные материалы, например глины, а в частности монтмориллониты - сорт глинистых минералов, представляющих собой фактически листы атомарной толщины, которые, будучи вставленными в полимер, существенно меняют его свойства. Мы участвуем в разработке нанокапсул для адресной доставки лекарств, у нас проведена их трехмерная реконструкция. Занимаемся полимерными матриксами, которые делаются для последующего заращивания их биологическими тканями, работаем с мембранами для приготовления лекарств. 

- Сейчас модно говорить о 3D-технологиях.

- Не просто модно, это важно, в особенности для нанообъектов. Мы уже два месяца работаем как раз над 3D с атомным разрешением в просвечивающей микроскопии. Это непростая задача, которая требует очень больших вычислительных ресурсов. К счастью, у нас в Курчатовском институте есть суперкомпьютер, который позволяет достаточно быстро просчитывать трехмерную структуру. На других приборах, например на растровом электронно-ионном микроскопе, можно получать трехмерные изображения, срезая образец слой за слоем и «склеивая» изображения срезов. Методики трехмерной конструкции очень разные. То, что я сейчас говорил про 3D атомарного разрешения, – это одно, обычная томография, когда мы поворачиваем образец, как делается в медицине, это другое, нарезание и «склейка» – это третье. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 - Курчатовский институт сегодня известен кроме прочего своим НБИКС-центром. Какое место ваша лаборатория занимает среди нано-, био-, инфо-, когно- и социотехнологий?

- Я думаю, вполне достойное. Мы уже начали работать не просто в сфере биологии, о чем я уже сказал, но именно с биоорганическими объектами. Для нас эта тематика достаточно новая, она требует и новых методов, и новых подходов, и новых инструментов, которые мы в настоящее время активно развиваем. Например, вместе с Институтом морфологии человека мы недавно исследовали камни из эпифиза головного мозга. Эта работа, возможно, позволит понять причину шизофрении. 

- Каким образом?

- Эпифиз, или шишковидное тело, располагается между полушариями головного мозга. У здоровых людей начиная с младенчества в нем формируются мельчайшие камушки. А вот у больных шизофренией их практически нет. Возможно, если удастся понять, почему это происходит, станет возможным и установить причину этого тяжелого психического заболевания. 

- Все, о чем вы сейчас говорили, — чистая практика. А как обстоят дела с фундаментальной частью?

- Доля фундаментальной науки в работе нашей лаборатории невелика. У нас очень много чисто прикладных исследований. Практически вся микроэлектроника полупроводников, сверхпроводимость, полимеры и т.д., все эти направления по большей части имеют прикладное значение. Хотя мы надеемся, что исследования структуры новых сверхпроводников на основе железа позволят решить некоторые фундаментальные вопросы. 

Дело государственное

- Вы сказали, что ваша лаборатория одна из лучших в России. В то же время вы можете сравнивать с тем, что есть за рубежом. Как мы выглядим на фоне мировой науки?

- Мы вполне сравнимы с крупнейшими национальными лабораториями, особенно если рассматривать нашу лабораторию и Институт кристаллографии совместно, то и по количеству приборов, и по уровню сотрудников мы абсолютно конкурентоспособны. При этом важно, что мы сейчас находимся в стадии роста, чего не скажешь о европейских лабораториях, и экспонента роста у нас достаточно круто уходит вверх. Вы сами видите, что наша приборная база полностью соответствует мировому уровню. Мы активно участвуем в зарубежных конференциях, молодые сотрудники делают там достойные доклады. Так что на международном уровне мы выглядим неплохо. 

- Многие аппараты у вас уже есть. А какие вам еще хотелось бы иметь — для полного удовлетворения?

- Планов-то много. Хотелось бы, чтобы в нашем центре появились приборы для работы в новых направлениях, позволяющие решать все задачи НБИКС-центра. В частности, Оже-микроскопия. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 - Я с таким термином не знаком.

- Это метод, также использующий для микроанализа электронный пучок. Электроны, попадая в образец, генерируют рентгеновские кванты и Оже-электроны. И те и другие детектируются, и от каждого материала возможно получить спектр, который, как отпечатки пальцев, характеризует образец. Рентгеновское излучение генерируется из достаточно большого объема, а это уменьшает пространственное разрешение. Оже-электроны позволяют получать поверхностную информацию фактически от монослоя, т.е. мы можем легко определить состав нанослоев на поверхности образцов, а это бывает крайне важно. В области Оже-микроскопии Россия пока отстает. Мы участвуем в разных программах, в рамках которых получаем субсидии на покупку запчастей и небольших приборов. Но большие приборы требуют больших вложений. Это прерогатива государства. Микроскопия, особенно просвечивающая, не может быть доходной, это затратная часть. Есть, конечно, коммерческие лаборатории... 

- И в России такие есть?

- Уже появились. Все они в основном используют растровые приборы и микроанализ. Работая в Соединенных Штатах, я участвовал в совместной программе — исследования материалов для различных расположенных рядом промышленных и научных учреждений. Я отвечал за всю микроскопию, и за оптическую, и за электронную. За пять лет моего участия в этой программе для просвечивающей микроскопии у нас было буквально три задачи. Основной объем работ требовал применения простейшей растровой микроскопии и рентгеновского микроанализа. У субангстремной микроскопии сейчас коммерческое применение крайне ограничено, поэтому она требует существенной поддержки, иначе не выживет. Сейчас в российских институтах, и академических, и учебных, современной просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения практически нет. 

- Только что вы говорили, что в институте кристаллографии она хорошо развита.

- Это особое место, там микроскопия традиционно поддерживалась и потому пребывает на высочайшем уровне. В первую очередь это заслуга М.В. Ковальчука, благодаря которому в этом институте рентгеновские методы электронной микроскопии развивались и использовались одновременно и комплементарно. Сегодня эту же идеологию мы развиваем в Курчатовском институте, в качестве рентгеновского источника используя синхротрон.

 

александр васильев биотехнологии когнитивные технологии курчатовский институт лаборатория электронной микроскопии михаил ковальчук нанотехнологии

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий