Интервью на портале «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

Информация предоставлена Информационным агентством "Научная Россия". Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.