Какие возможности для исследований открыл комплекс "КИСИ-Курчатов"

На школьных уроках химии меня всегда мучил один вопрос: вот идет реакция, допустим, окисления - атомы от одной молекулы устремляются к другой. Схематически все понятно, но что там происходит на самом деле? Кто начинает движение первым? Как расходятся электроны, двигающиеся навстречу друг другу? А если они сталкиваются, что делают? Неужели, как водители попавших в аварию машин, ждут гаишников? Без этих подробностей все объяснения учительницы казались каким-то фокусом. А у всякого фокуса есть обман, который очень хочется раскрыть.

Разгадывать загадки материи на молекулярном уровне взялись исследователи Курчатовского института. На их вооружении есть единственный на территории бывшего СССР специализированный синхротрон, позволяющий разглядеть во всех подробностях события наномира.

- Наша задача сейчас - на уровне атомов и молекул увидеть и понять, как природа создавала различные материалы, как атомы и молекулы взаимодействуют между собой, изучить эти процессы и использовать их для создания новых материалов, новых технологий, - описал содержание своей работы заместитель руководителя Курчатовского комплекса синхротронно-нейтронных исследований Александр Благов. - Синхротронное излучение - это универсальный исследовательский инструмент, с помощью которого мы реализуем максимально широкий набор высокочувствительных рентгеновских методов.

В экспериментальном зале площадью 10 тысяч квадратных метров работают словно в унисон полтора десятка экспериментальных станций

Синхротрон "КИСИ-Курчатов" был открыт 1 октября 1999 года. И с тех пор используется по 23 часа в сутки, 6 дней в неделю, с единственным крупным месячным перерывом за год - на время летних каникул. Еще ежедневно час нужен для технического обслуживания установки. На Курчатовском синхротроне совершаются открытия в самых разных областях знаний: физике, химии, биологии и даже, например, археологии. В экспериментальном зале - его площадь 10 тысяч квадратных метров - расположены полтора десятка экспериментальных станций. Каждая из них оснащена дополнительным оборудованием и имеет свою специализацию.

- Наше оборудование позволяет следить за состоянием отдельных атомов в процессе химической реакции, мы можем увидеть, что происходит со структурой материала при внешних воздействиях. Причем получается не серия фотографий, а буквально "кино", - увлекает меня в научный микрокосмос Александр Благов. - Мы теперь можем изучать свойства буквально отдельных молекул. И использовать разные, эффективно дополняющие друг друга инструменты наблюдения. Например, известно, что нейтроны лучше "чувствуют" легкие атомы, а синхротронное излучение - тяжелые. В Курчатовском институте есть и то и другое, а это очень редкое сочетание в научных центрах во всем мире...

Основа синхротронного комплекса "КИСИ-Курчатов" - три ускорительные установки: линейный ускоритель электронов на энергию до 80 МэВ, малое накопительное кольцо (МНК) на энергию 450 МэВ и большое накопительное кольцо (БНК) на энергию до 2,5 ГэВ. А для нейтронных исследований используется прошедший полную модернизацию исследовательский реактор ИР-8, который по потоку нейтронов превосходит любые зарубежные аналоги, работающие на той же мощности.

Инструменты КИСИ позволяют определять пространственное положение даже отдельно взятого атома

- Наш комплекс очень удобен для проведения исследований, - утверждает мой собеседник. - Во-первых, у нас и источник нейронов ИР-8, и синхротрон расположены на одной площадке. И во-вторых, здесь же можно проводить весь комплекс работ, связанных с проведением исследований, начиная от подготовки образцов и до обработки результатов на суперкомпьютере. Все это - материальная, так сказать, основа Курчатовского центра конвергентных наук и технологий. Или сокращенно - НБИКС-центра, созданного Михаилом Валентиновичем Ковальчуком несколько лет назад. Основная наша задача - проложить путь к созданию природоподобных материалов, технологий, систем. Конечно, мы продолжаем развивать и нашу исторически первую задачу - все, что связано с атомной энергетикой. К нам приходят со своими задачами ученые из самых разных областей: физики, биологии, химии и материаловедения. Например, мы помогали специалистам Государственного исторического музея прочитать фрагмент средневекового пергамента, на котором была утрачена часть чернил. С похожими задачами обращались и археологи, и реставраторы - одним надо было понять, есть ли что-то внутри средневекового креста, другим - определить возможные внутренние дефекты бронзовых статуй. Так что помимо сугубо фундаментальных мы можем решать и прикладные задачи в, казалось бы, совершенно посторонних областях.

Вся научная работа, по словам Александра Благова, сосредоточена на экспериментальных станциях.

- На станции со сказочным названием "Ленгмюр" мы исследуем тончайшие молекулярные пленки. Они формируются на поверхности жидкости, а затем могут быть перенесены на твердую подложку, что позволяет комбинировать несколько слоев пленки из различных веществ, получая в итоге материал с заданными свойствами. Таким способом можно создавать принципиально новые гибридные материалы, комбинируя свойства органической и неорганической материи. Например, когда мы на неорганическую подложку, используемую в качестве считывающей матрицы, наносим тонкую органическую или даже белковую (скажем, фоточувствительную) пленку, мы получаем принципиально новый гибридный сенсор или датчик, вплоть до создания нейроморфных гибридных систем обработки информации.

Функциональные части таких систем, представляющие собой сложные молекулы - молекулярные машины, мы исследуем на станциях "СТМ" (станция структурного материаловедения) и "ДИКСИ" (дифракционное кино на синхротронном источнике). Станция "ДИКСИ" также позволяет исследовать и различные биологические ткани...

Едва успеваешь вникнуть в новую для себя терминологию и чуть-чуть "осмотреться", как собеседник ведет дальше. Еще одна востребованная у биологов - станция "Белок". Тут методами рентгеновской дифрактометрии расшифровываются структуры различных крупных макромолекул, к которым в первую очередь относятся белки, ферменты и вирусы.

- В НБИКС-центре Курчатовского института, - рассказывает Александр Благов, - есть специальная белковая фабрика, позволяющая в автоматическом режиме в специальных планшетах подготавливать одновременно тысячи различных растворов с разной концентрацией белка и наблюдать за ростом кристаллов. И когда кристаллы выросли, они в первую очередь проходят тестирование на станции "Белок", и если все удачно, кристалл получился хорошего качества, мы расшифровываем его структуру. В настоящее время на станции "ДИКСИ" определяют условия контролируемой кристаллизации - мы изучаем начальную стадию кристаллизации, наблюдаем, как отдельно плавающие в растворе молекулы белка начинают агрегировать, срастаться и образовывать комплексы, из которых потом формируется объемная кристаллическая решетка. Поняв детально эти процессы, мы можем отказаться от непредсказуемого и затратного способа кристаллизации белков на основе скрининга и перейти к искусственному, направленному созданию кристаллов белковых макромолекул.

Помимо станции "Белок" есть экспериментальные станции для проведения исследований методом рентгеновской спектроскопии. Так, например, на "СТМ" занимаются вопросами структурного материаловедения и химической кристаллографии - исследуют особенности пространственной организации материалов, измеряя их рентгеновские спектры поглощения. Возможности станции "РЕФРА" (станция рефракционной оптики) позволяют работать с образцами довольно больших размеров. Например, с фрагментом горной породы массой около 60 килограммов, на котором нанесен древний наскальный рисунок - петроглиф из Института археологии РАН. Станция "НаноФЭС" используется для исследований электронной структуры твердых тел и для отработки технологических процессов. В первую очередь - при создании микроэлектронных устройств. Здесь применяются методы фотоэлектронной спектроскопии, оптической и зондовой микроскопии. И все это - в условиях сверхвысокого вакуума. Станция привязана к нанотехнологическому кластеру Нанофаб-100, и мы имеем возможность в едином технологическом цикле (научный термин - in operando) создавать тонкие полупроводниковые слои на поверхности подложки.

Еще один блок исследовательских станций посвящен визуализации внутренней структуры материалов. "РТ-МТ" позволяет проводить рентгеновскую томографию и микротомографию. На "Медиане" собранные на одном канале дифрактометр высоких давлений и установка для рентгеновской интроскопии предназначены для медицинской и материаловедческой диагностики. На этих станциях получают трехмерные изображения объектов размером от 1 до 10 сантиметров с разрешением до 2 микрон. Возможности нейтронной установки для томографии и радиографии позволяют исследовать плотные материалы (можем просветить стальные образцы на глубину до 80 миллиметров), работать с образцами довольно больших, почти метровых размеров - например, с теми же средневековыми статуями.

Есть и другие экспериментальные станции, причем каждая со своим уникальным набором оборудования. Одна из таких - "Фаза". Это совершенно новая станция, созданная по всем современным стандартам и оснащенная самым новым оборудованием. Длина оптического пути станции "Фаза" от источника до образца составляет около 40 метров, что позволяет использовать специальные рентгеновские изогнутые зеркала для увеличения яркости пучка на образце. С применением зеркал яркость рентгеновского пучка была увеличена на два порядка (то есть в сто раз). Установка введена в эксплуатацию полтора года назад и является многофункциональной универсальной станцией для решения широкого круга фундаментальных задач, прежде всего связанных с разработкой материалов для наноэлектроники и новых функциональных материалов, в том числе новых гибридных материалов.

На станции реализованы несколько очень важных методов, позволяющих изучать многослойные наноструктуры. Один из них - метод стоячих рентгеновских волн (он, кстати, внедрен у нас в стране еще в 80-е годы Михаилом Валентиновичем Ковальчуком). Этот исследовательский прием объединяет дифракцию и флуоресценцию и позволяет определять положение атомов определенных сортов в структуре с точностью до десятых долей ангстрема.

Именно для создания новейших станций "Фаза" и "НаноФЭС" в 2010 году был модернизирован Курчатовский синхротрон: существенно расширена площадь экспериментального зала, заменены основные системы ускорителей и установлены специальные генераторы синхротронного излучения - так называемые "вигглеры". Они позволяют получать более яркий пучок синхротронного излучения, чем поворотные магниты, которые являются стандартными излучателями Курчатовского синхротрона.

Парк экспериментальных станций Курчатовского синхротрона, по словам Благова, планомерно расширяется. В ближайшие два года будут запущены еще семь новых станций.

- По принятой в научном мире классификации, "КИСИ-Курчатов" относится к поколению синхротронов "два плюс". С учетом накопленного опыта и перспективных задач сейчас ведется разработка концепции принципиально нового, сверхсовременного источника синхротронного излучения четвертого поколения. Создание, содержание и эксплуатация таких крупных научных установок для структурных исследований - это очень важная, можно даже сказать, стратегическая задача. Такие мегаустановки национального уровня благодаря их уникальным исследовательским возможностям обеспечивают высокий уровень отечественной науки, ее самодостаточность, а также технологическую независимость нашей с вами страны.