Ковальчук: Кристаллография будет играть крайне важную роль в будущем
От описательной минералогии, через химию, химический анализ, новую линию роста кристаллов к физике в виде рентгеноструктурного анализа, физического материаловедения, а затем и к биологии, белковой кристаллографии - такой, если уложить 100 лет в одно предложение, была ее внутренняя эволюция.
И неудивительно, что сегодня кристаллография имеет мало общего с тем, какой она была век назад, во времена выдающегося ученого Е.С. Федорова, одного из основоположников современной структурной кристаллографии, геолога, ректора Санкт-Петербургского горного института. В то время кристаллография была наукой о минералах, изучающей их состав, свойства, давая простые описания и характеристики. С развитием химии началось движение от описательной минералогии к более глубокому анализу, более совершенным методам изучения структуры минералов.
С открытием рентгеновских лучей в 1895 году и их дифракции в 1912-м мы ведем отсчет развития современной кристаллографии как науки о материалах в целом. Благодаря рентгеновскому излучению мы смогли увидеть сложное, трехмерное, периодическое строение всего окружающего нас мира. В этот период кристаллография уже стала существенной, неотъемлемой частью физики, образовав новые научные области - рентгеновскую кристаллографию, кристаллофизику, рентгеновскую физику и оптику.
В середине ХХ века было присуждено немало Нобелевских премий за эпохальные открытия в области физики рентгеновского излучения, которые по сути подтвердили великие открытия Резерфорда, Бора и основные принципы квантовой механики. Можно сказать, что все глобальные прорывные открытия того времени, в первую очередь в биологии, медицине и химии, были сделаны с помощью рентгеновских лучей.
После Второй мировой войны также благодаря рентгеновской дифракции кристаллография стала и частью биологии. Современная молекулярная биология - это в значительной мере детище рентгеновской кристаллографии белков.
Все этапы, которые прошла кристаллография, наглядно прослеживаются на примере зарождения и развития Института кристаллографии. В 1925 году под руководством А. В. Шубникова была сформирована группа кристаллографов при Минералогическом музее Академии наук СССР в Ленинграде. Ее основной целью было исследование кристаллов природного кварца и изготовление пьезокварцевых пластинок. В 1934-м образован кристаллографический сектор в Ломоносовском институте геохимии, минералогии и петрографии Академии наук СССР в Москве. А в 1937 году сектор был преобразован в Лабораторию кристаллографии АН СССР в составе Отделения геолого-географических наук, затем в ноябре 1943-го на ее базе был создан Институт кристаллографии АН СССР. Не будет преувеличением сказать, что вся отечественная промышленность по выращиванию кристаллов вышла из стен лаборатории, а затем Института кристаллографии, который теперь носит имя своего организатора и первого директора А.В. Шубникова.
Первый этап развития кристаллографии был связан с копированием природных структур и процессов, что заложило основу промышленных технологий искусственного роста кристаллов. Уже в первые годы развития Института кристаллографии была заложена идеология научного развития, базирующаяся на триаде "рост - структура - свойства" и подразумевающая глубокую взаимную связь между этими понятиями.
Второй этап включал в себя развитие методов структурного анализа, изучение структуры кристаллов этими методами и переход к изучению биоорганических кристаллов.
На этапе, который мы переживаем сейчас, обозначился качественный переход к новым принципам научных исследований и организации всей сопутствующей работы. В чем это выражается? Налицо переход от кристаллов к неструктурированным средам и живым системам; от макрообъектов к микро- и нанообъектам; от трехмерных к двумерным и одномерным структурам; от дифракции к недифракционным методам.
Методология развития кристаллографии такова, что она прошла путь от подражания природе к искусственному конструированию объектов, не имеющих аналогов в природе. Из узкоспециализированной минералогии кристаллография стала сложной междисциплинарной наукой. Суть ее в сочетании возможностей и достижений геологии, химии, физики, а на следующем этапе и биологии. Такой междисциплинарный подход стал методологией науки XXI века, когда сложение достижений сразу многих дисциплин дает прорыв и принципиально новый результат.
Сегодня мы достигли той стадии, когда дальнейшее развитие науки, образования, промышленности возможно только на междисциплинарной основе, конвергенции, взаимопроникновении наук и технологий, ведь сама природа конвергентна по своей сути. Такой междисциплинарный симбиоз нанотехнологических подходов с достижениями молекулярной биологии, биоинженерии, генной инженерии, информационных технологий, когнитивных и социогуманитарных наук становится базой для развития конвергентных нано-, био-, информационных, когнитивных и социогуманитарных НБИКС-технологий.
НБИКС-технологии позволят создавать антропоморфные технические системы, подобные конструкциям, создаваемым живой природой. Будут разработаны гибридные нанобиосенсорные системы, биоробототехнические системы на основе технологий атомно-молекулярного конструирования и самоорганизации.
Кристаллография, с ее междисциплинарной сущностью, будет играть крайне важную роль в развитии конвергентных наук и создании природоподобной техносферы в XXI веке. Впереди - создание таких "дружелюбных природе" технологий, которые не причиняют вреда окружающей среде. И кристаллография станет одним из важных звеньев в реализации этих сложнейших процессов.
В нашей стране уже создана и работает уникальная сетевая инфраструктура для проведения таких инновационных исследований на базе ФНИЦ "Кристаллография и фотоника" РАН, ФИЦ "Фундаментальные основы биотехнологии" РАН, НИЦ " Курчатовский институт" и еще целого ряда исследовательских институтов, университетов и научных центров России.
Публикация подготовлена по материалам доклада М.В. Ковальчука "Кристаллография - методология междисциплинарной науки XXI века" на открытии Первого Российского кристаллографического конгресса.
Ключевые вехи развития кристаллографии
1940-1960 гг. - копирование природы; промышленные технологии роста кристаллов. Но: уже в 1958 году в СССР по инициативе Б.К. Вайнштейна создана лаборатория белковой кристаллографии.
1960-1990 гг. - исследования структуры кристаллов; дифракционные методы; переход к изучению биоорганических кристаллов; развитие аналитических подходов. Как следствие - в 1985 году по инициативе М.В. Ковальчука создана лаборатория синхротронного излучения и нанотехнологий.
С начала 1990-х годов - качественный переход от кристаллов к неструктурированным средам и живым системам; от макрообъектов к микро- и нанообъектам; от трехмерных к двумерным и одномерным объектам; от дифрактометрии к недифракционным методам; от узкой специализации к междисциплинарным исследованиям; от подражания природе к конструированию объектов, не имеющих аналогов в природе; от анализа к синтезу. Знаковое событие - пуск 1 октября 1999 года в Курчатовском институте первого в России специализированного источника синхротронного излучения.
Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова (с 2015 года - в составе ФНИЦ "Кристаллография и фотоника" РАН) разработал и запустил в производство на 29 предприятиях Москвы, Ленинграда, Харькова, Киева, Сум, Кировакана, Тбилиси и др. более 50 новых технологий, приборов и устройств. Внедрены в промышленность технологии получения и обработки синтетического кварца, крупных монокристаллов YAG кристаллов иттрий-алюминиевого граната, лейкосапфира и других люминесцентных кристаллов для специальных счетчиков. Разработаны новые методы роста кристаллов: графоэпитаксия, выращивание нитевидных кристаллов, твердофазное сращивание монокристаллов, методики выращивания биокристаллов. Внедрено оборудование для рентгеновских, синхротронных и нейтронных исследований.
Евграф Степанович ФЕДОРОВ еще в 1891 году описал симметрию всего разнообразия кристаллических структур (230 пространственных групп).
Владимир Иванович ВЕРНАДСКИЙ своими работами в области геологии, почвоведения, кристаллографии, минералогии, геохимии, радиогеологии, биологии, биогеохимии, истории и философии сформировал учение о ноосфере и основал новую науку - биогеохимию.
Алексей Васильевич ШУБНИКОВ - основатель и первый директор Института кристаллографии. Объединил теоретические и прикладные аспекты кристаллографии, руководил созданием в СССР промышленности синтетических кристаллов как основы многих технологий.