Даже известные материалы порой таят неожиданные свойства. Но как об этом узнать? Фундаментальные методы, позволяющие проникнуть в структуру вещества сначала на уровне “нано”, а затем, после статистической обработки большого числа данных об одиночных молекулах, получить макроскопическую информацию, разрабатывают и постоянно совершенствуют в Институте спектроскопии РАН (ИСАН) в Троицке. Один из проектов, который выполняется под руководством Андрея Наумова, поддержан грантом Президента РФ. Молодой доктор наук рассказал о приоритетных работах возглавляемого им отдела молекулярной спектроскопии и об исследованиях в рамках проекта, которые сулят новые открытия.
— Спектроскопия одиночных молекул, — вводит в курс дела ученый, — перспективное направление, которое своими корнями уходит в работы основателя нашего отдела профессора Романа Ивановича Персонова и его учителя, заведующего кафедрой теоретической физики Московского государственного педагогического института им. В.И.Ленина профессора Эдуарда Владимировича Шпольского. Они занимались исследованиями природы люминесценции растворов.
Долгое время существовала проблема в изучении сложных органических молекул, состоящих, например, из большого количества бензольных колец. Ситуация изменилась с появлением техники регистрации спектров люминесценции этих молекул, внедренных в малой концентрации в прозрачные твердые матрицы — полимеры, стекла, молекулярные кристаллы. В таких растворах вращательные и поступательные степени свободы молекул “вымораживаются”, в результате спектры становятся “структурными”, и их гораздо проще расшифровывать.
Кроме того, сложные молекулы очень чувствительны к локальному окружению. Даже при незначительных движениях атомов матрицы изменяются спектральные характеристики внесенных молекул, которых часто называют зондами. Анализ таких изменений дает нам ценную информацию о структуре и внутренней динамике матрицы. Ведь наша цель — исследование не только сложных соединений, но и материалов, в которые они внедрены.
— Сколько же молекул удалось исследовать таким способом?
— Если говорить о мировом опыте, то это тысячи различных соединений. Но нас все же больше интересуют матрицы, хотя физика сложных молекул тоже интересна. Мы изучаем процессы в среде: смотрим, что с ними происходит с изменением температуры, при приложении электромагнитного поля, внешнего давления. Один из важных вопросов, которому уделяем внимание, связан со старением материала. Как правило, берем довольно известные вещества и изучаем их неизвестные свойства. Скажем, один из объектов наших исследований — популярный полимер полиизобутилен. Он широко используется в различных отраслях промышленности, например, для изготовления герметиков, клеев, входит в состав жевательной резинки и даже твердого ракетного топлива. Наши работы, с одной стороны, проливают свет на микроскопическую природу исследуемого объекта, с другой — позволяют предсказать характеристики новых веществ.
— Это то, что называется инновационными разработками?
— Мы создаем основу для них: занимаемся фундаментальными исследованиями, результаты которых могут подхватить другие.
Большую роль в нашей работе играют лазеры. Именно они вывели эту область исследований на качественно новый уровень. Дело в том, что при регистрации сигнала от макрообразца “спектрики” отдельных молекул перемешиваются, получается своеобразная “какофония”, которую практически невозможно анализировать. С изобретением монохроматических источников появилась возможность возбуждать не огромное количество молекул, а лишь малые их ансамбли, имеющие близкие частоты электронных переходов. Мы селективно возбуждаем только те молекулы, которые попадают в резонанс с частотой лазерного излучения. Это так называемый “эффект Персонова”, выдающееся открытие основателя нашего направления в институте, которое он с коллегами сделал в 1972 году. К слову, в этом году будем отмечать 40-летний юбилей эффекта.
Затем был сделан следующий шаг: переход от ансамблей к отдельным молекулам. Прорыв произошел в 1989 году в США и в 1990-м во Франции: двум научным группам удалось зарегистрировать сигналы от единичных молекул в твердых матрицах. Во многом это стало возможным благодаря появлению чувствительной аппаратуры и грамотным методикам обработки данных.
Мы пошли еще дальше. Спектр от конкретной молекулы — это характеристика случайного процесса. А как связать одиночное событие с макроскопическими характеристиками? Заведующий нашей лабораторией электронных спектров молекул Юрий Григорьевич Вайнер предложил производить статистическую обработку информации. Ведь чем больше спектров от разных молекул, расположенных в разных точках образца, зарегистрируется, тем больше знаний о материале получаем. Эту идею мы стали реализовывать в сотрудничестве с университетом города Байройт в Германии с конца 1990-х. Было получено много интересных результатов. Например, нашу последнюю статью “Impurity spectroscopy at its ultimate limit” опубликовали в специальном выпуске международного журнала Physical Chemistry Chemical Physics, посвященного основным достижениям и перспективам спектроскопии одиночных молекул, более того, статья была отобрана для анонса на обложке спецвыпуска. В этой работе мы осуществили раздельное детектирование всех (!) эффективно излучающих примесных молекул в макроскопическом образце. Более того, теперь мы регистрируем не только спектры, но и местонахождение молекул внутри образца с нанометровой точностью, а также устанавливаем связь спектральных характеристик излучателей с их положением. Можем объяснить, как влияют на спектры разные дефекты в образце, его химический состав, особенности поверхности и границы раздела сред. Предсказываем, при каких обстоятельствах увеличивается вероятность растрескивания или быстрого старения материала.
Наши работы уже поддерживались грантами Президента РФ в 2003 (когда я был еще кандидатом наук) и в 2009 годах. И вот сейчас, в 2012-м, Совет по грантам вновь поддержал наш проект.
— Если судить по тому, что ваши исследования продолжаются, кульминации в своих фундаментальных открытиях вы еще не достигли?
— Действительно, наше направление постоянно развивается, появляются новые интересные задачи. Несколько лет назад коллеги из США продемонстрировали возможность регистрации всех трех координат для каждой молекулы. До последнего времени удавалось регистрировать только две поперечные координаты, а положение молекулы в глубине образца не контролировали. Мы получали плоскую двухмерную картинку, все молекулы, находящиеся в толщине, выглядели для нас как бы лежащими на одной плоскости. Естественно, хочется соединить наши возможности регистрации гигантского количества одиночных молекул с появившимися возможностями трехмерной микроскопии. Это позволит получить уже полное представление о макроскопическом объекте в 3D-формате.
— Для таких исследований требуется, видимо, особое оборудование?
— Большинство измерений проводилось на экспериментальной базе Байройтского университета. Сейчас мы оборудуем лабораторию у нас в институте. Люминесцентный микроскоп — спектрометр для детектирования одиночных молекул — собираем сами, закупая отдельные элементы. Установка получается сложная, состоящая из многих узлов. Учитывая особенности решаемых задач, наше оборудование можно назвать уникальным. Кое-что удается закупать благодаря грантам РФФИ и Президента РФ, при поддержке Минобрнауки. И все-таки наша основная задача — не создание инструмента, а фундаментальные исследования. Пытаемся заглянуть внутрь процессов в сложных материалах, понять их микроскопическую природу. Огромный пласт задач связан с квантовыми точками, различными наноструктурами. Если говорить о 3D-исследованиях, то это бурно развивающееся направление, особенно в биофизике. Мы же планируем применить технологию для изучения сложных молекулярных структур.
— Как собираетесь использовать полученный грант?
— Сумма гранта — два миллиона рублей на два года. Примерно половина этих денег пойдет на заработную плату, в том числе студентам и аспирантам. Остальное планируем потратить на приобретение расходных материалов и оборудования, на командировки. Радует, что это грант на фундаментальные исследования. Сейчас модно говорить про инновации, технологические и конструкторские разработки. Конечно, это все важно. Но надо понимать, что без фундаментальной науки не будет инноваций.
— Расскажите о вашей команде.
— Очень важно, что мы работаем вместе с опытным ученым, нашим наставником, профессором Юрием Григорьевичем Вайнером. В работе принимают участие студенты и аспиранты ИСАН, МФТИ, МПГУ, а также молодые талантливые ученые. Это недавно защитившие кандидатские диссертации Алексей Горшелев, Иван Ерёмчев и докторант Камиль Каримуллин. Кстати, Иван в этом году также получил грант президента для молодых кандидатов наук на исследования по близкой тематике.
— Хотелось бы услышать ваше мнение о грантах вообще. Многие ученые жалуются, что оформление заявок и отчетность отнимают до половины их рабочего времени.
— Это особая тема. Так как суммы небольшие, то приходится проекты дробить и, как следствие, много времени тратить на составление заявок, анкет, отчетов (ежеквартальных, ежегодных). Бумажная волокита распространяется почти на всех, включая студентов. Но главная проблема — мизерное, по сравнению с современными международными стандартами, финансирование фундаментальной науки и образования. Например, в Европе на один большой проект может выделяться до нескольких миллионов евро, и это дополнительно к несравнимо большему бюджетному финансированию всей научной инфраструктуры. Конечно, без документов там тоже не обойтись, но нужен всего один (!) отчет. Ситуацию в России, на мой взгляд, могут улучшить укрупнение проектов, автоматизация процесса подачи документов, централизация баз данных. В этом смысле президентский грант — один из самых грамотных, продуманных. Система отлажена так, что не требует много времени ни на заявочной, ни на отчетной стадии. Да и сумма приличная.
В прошлом году я подавал заявку на президентский грант, но положительного ответа не последовало. За год появились новые результаты, идеи, и в 2012-м грант поддержали. В связи с этим хотелось бы подчеркнуть, что нам необходима обратная связь, возможность увидеть отзывы рецензентов. В российских фондах это не предусмотрено. А ученым важно понять, что не понравилось экспертам. Важны их замечания, которые мы могли бы учесть в будущем, при составлении следующих заявок.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Нет комментариев