Линия синтеза

В материаловедении назревает настоящая научная революция. Ее предпосылки - в бурном развитии физики, химии и биологии во второй половине прошлого века

Лет двадцать назад студент физфака, избравший в качестве своей дальнейшей карьеры кристаллографию, вызывал у однокурсников что-то вроде сочувствия. Что нового, будоражащего умы научного сообщества можно открыть в этой традиционной сфере? Будущих ученых манили черные дыры, квантовая хромодинамика или, на худой конец, гигантские ускорители. Между тем стройки новых суперускорителей сворачивались одна за другой, физика элементарных частиц продолжала пребывать в ступоре, а черные дыры пока так и остались умозрительным феноменом. Кристаллография же, или, шире, материаловедение, опять испытывает подъем. После "металлургического бума" 30-40-х годов, прорывов в полупроводниках 50-60-х, по сути обеспечивших компьютерную революцию, специалисты по новым материалам в последние десятилетия вплотную подступили к биоорганике и нанотехнологиям. Более того, по иронии судьбы именно в материаловедении находят новое полезное применение такие кунштюки эпохи Big Science, как синхротроны: синхротронное излучение оказывается отличным инструментом для исследования материалов ближайшего будущего, на создание которых правительства стран первого мира и советы директоров ТНК выделяют десятки миллиардов долларов. О том, как выглядит НТП с точки зрения материаловеда, мы решили поговорить с директором Института кристаллографии имени Шубникова членом-корреспондентом РАН Михаилом Валентиновичем Ковальчуком.

- Сейчас мало кто помнит, что вторая мировая война кроме атомного и ракетного родила еще один великий проект - радиолокационный.

- Да, радиолокация, связь - ключевые технологии для ведения войны. В тридцатых-сороковых годах выдающийся советский физик и кристаллограф академик Алексей Васильевич Шубников изучал пьезоэффект в кристаллах. Пьезоэффект - внешне очень простая вещь. Вы взяли кристалл, сдавили его вдоль одной оси - и на нем возникло электричество. И наоборот, приложив к кристаллу электрическое поле, получаете деформацию кристалла. И вот абсолютно, казалось бы, абстрактные результаты исследований вылились в практически важное дело: оказалось, что на пьезоэффекте можно выстроить всю радиосвязь и радиолокацию - они получили бурное развитие как раз во время второй мировой войны.

Когда Шубников представил результаты своих работ, государство мгновенно начало создавать инфраструктуру для того, чтобы вести исследования в этой области. Уже в ноябре сорок третьего года при Академии наук СССР был создан Институт кристаллографии (ИКАН). Почти сразу появилась специализированная прикладная лаборатория, где изделия из кристаллов стали приспосабливать для работы в радиосвязи. Одновременно в нашем институте продолжались фундаментальные исследования: изучались процессы зарождения кристаллов, их структура и свойства. Потом возникла мысль: почему бы не попробовать самим вырастить пьезокристалл нужного качества, вместо того чтобы искать его в природе.

- У кристаллографии как отдельной научной дисциплины должна быть своя логика развития...

- Кристаллография возникла из чистой минералогии и геологии. Кристалл сначала описывали простыми методами: смотрели на свет и выясняли, прозрачный он или нет, мерили углы между гранями, даже проверяли на вкус. Затем приступили к химическим исследованиям - чтобы понять, из каких веществ состоит кристалл и как они в нем соединяются, - так кристаллография стала частью химии. Для изучения физических свойств кристаллов нужно было видеть полученную структуру с атомным разрешением, и, пополнившись физическими методами исследования (в первую очередь рентгеноструктурным анализом), кристаллография превратилась в самостоятельную область физики. Сегодня кристаллография активно вторгается в биологию, что прежде всего связано с уникальными возможностями все тех же рентгеноструктурных исследований.

Вот вы спрашиваете о логике развития кристаллографии. Я бы не отделял ее от логики развития материаловедения в целом. Чем бы вы ни занимались: новыми медицинскими протезами или созданием новых электронных схем - без новых материалов не обойтись. Любая идея материализуется, простите за тавтологию, именно через материалы, и разработка материалов - базовый приоритет любого научного развития. К примеру, наука о росте кристаллов как никакая другая позволяет из отвлеченной идеи получить готовый продукт, новый материал или элемент новой схемы. Кристаллография - лишь одна из частей науки о материалах.

Физическое же материаловедение как область знаний возникло перед войной, где-то в тридцатых годах. Черная и цветная металлургия тогда были хорошо развиты: набирала обороты гонка вооружений, все развитые страны активно готовились к войне, техника бурно развивалась - для самолетов, танков, подводных лодок понадобились принципиально новые материалы, в первую очередь металлы - специальные стали, сплавы. И многие задачи изучения свойств и строения металлов и сплавов нельзя было решить без использования физических методов исследования и современного математического аппарата - они, оплодотворив металлургию, и образовали новую область знаний, получившую название "физическое металловедение".

В пятидесятых-шестидесятых, когда были открыты туннельный эффект и все, что связано с полупроводниками, оказалась сразу востребованной и интересной область знаний, связанная с выращиванием кремния, германия, и мы перешли ко второму этапу физического материаловедения - полупроводниковому. И это та область, которая определила лицо сегодняшней цивилизации. Сейчас можно говорить о третьем этапе, я бы назвал его биологическим или биоорганическим материаловедением.

- Можно поточнее определить начало третьего этапа?

- Это шестидесятые-семидесятые годы, когда были открыты двойная спираль ДНК, структура многих белков, физика уже проникла в молекулярную биологию посредством рентгеноструктурного анализа, благодаря которому этот мир стал видимым для исследователя в объеме. И на базе трехмерного видения стала вырисовываться масса интереснейших биоинженерных, биотехнологических идей. А сегодня мы наблюдаем, как плавное развитие биоорганического материаловедения перешло в стадию взрывного роста.

- Хорошо, а причем здесь Институт кристаллографии?

- Институт кристаллографии имеет к биотехнологиям самое прямое отношение. Во-первых, благодаря моему учителю, предшественнику на посту директора института, академику Борису Константиновичу Ванштейну в институте уже несколько десятилетий существует направление исследований атомной структуры белков и нуклеиновых кислот, создана отечественная школа рентгеноструктурного анализа биологических молекул и частиц. И она у нас мирового уровня. При этом я бы сразу подчеркнул уникальность ситуации - биоорганическим материаловедением занимается фундаментальный институт физического профиля. Причем известный в мире и хорошо позиционированный, один из лидеров физического материаловедения. И вторая вещь, которая делает кристаллографию крайне важной для биоорганического материаловедения, заключается в том, что кристаллография - это междисциплинарная наука. Я не побоюсь даже сказать, что она сегодня становится в этом смысле прообразом методологии науки завтрашнего дня.

- Что это за методология?


Если мы имеем дело с отдельными кирпичиками мироздания - молекулами или атомами, то уже трудно определить, кто вы: химик, физик или биолог

- Почти четыреста лет назад Исаак Ньютон опубликовал известную книгу "Математические начала натуральной философии". По своей сути эта книга междисциплинарна. Но по мере дальнейшего роста знаний отдельные ее области начали отпочковываться. А уже на наших глазах каждая из крупных областей знаний начала дробиться на более мелкие. В этой узкой нише образуются еще пять-десять узкоспециальных направлений. В результате это приводит к потере общего поля и разобщению научного сообщества. Сейчас найти специалиста, который точно знает все по конкретной проблеме, - нет вопросов, а людей, которые покрывали бы своим знанием, эрудицией большую зону, - единицы. Но количественный рост знания привел к новому эффекту. Становится понятно, что если мы, например, имеем дело с отдельными кирпичиками мироздания - молекулами или даже атомами, то уже трудно определить, кто вы: химик, физик или биолог. Это и означает, что основой науки становится междисциплинарный подход, и ученый в каком-то смысле стремится стать натурфилософом как Ньютон, только на другом уровне.

- Новый синтез?

- Точно. Человечество в девятнадцатом-двадцатом веках проходило путь анализа - идя от сложного к простому, пыталось постичь, как устроен окружающий мир: последовательно открывало молекулы, атомы, ядра и элементарные частицы. Поэтому лицо цивилизации ушедшего столетия определила физика высоких энергий, ядерная физика и физика ускорителей. Человечество на этом пути поняло, что оно может делать, что хочет, - взорвать водородную бомбу, слетать на Луну и там погулять, поднять подводную лодку с огромной глубины и так далее. Все это только вопрос денег. Но уже в середине прошлого века, как только появилась возможность манипулировать отдельными атомами и молекулами, начала формироваться вторая линия, я ее как раз и называю линией синтеза.

Смотрите, если вы умеете соединять определенным образом атомы и молекулы, то можете получать целый набор искусственно синтезированных органических и неорганических биологических веществ, скажем, различных кристаллов, полимеров и даже белковых молекул. А расшифровка атомно-молекулярного строения веществ заложила основу технологий нового времени. При этом более важными становятся исследования, проводимые на стыке различных наук, которые позволяют объединять усилия и интеллектуальный потенциал ученых разных специальностей, стимулируя развитие всей науки в целом. Фактически междисциплинарный подход становится методологией развития науки на рубеже веков.

- Этот "научный стык" возникает, по-видимому, на базе каких-то конкретных технологических достижений?

- Так и есть. Вот вам пример. За пятьдесят лет своего развития полупроводниковое материаловедение пришло к двум основным методическим принципам. Это метод молекулярно-лучевой эпитаксии, с помощью которой вы можете слой за слоем, чередуя источник определенного сорта ионов или атомов, строить с атомарным разрешением любую структуру (например, сверхрешетку). А второй - это использование квантовых точек, которые образуются в кристаллах; и в основе этого лежит принцип самоорганизации. Это тот самый принцип, на котором зиждется живая природа. На протяжении пятидесяти лет человечество тратило бешеные деньги, развивая полупроводниковое материаловедение, чтобы прийти к тому, что заложено в живой природе с самого начала.

Когда ученые получили возможность играть с отдельными атомами и молекулами, то есть работать на нанометрическом уровне и с нанотехнологиями, они стали конструировать искусственные материалы: известные полупроводниковые структуры А3-Б5, органические молекулы - полимеры (тот же синтетический каучук, а вообще их огромное количество). Но то же самое можно делать и с белками. В органике есть немало технологий атомарного конструирования - к примеру, техника Ленгмюра-Блоджетт (по сути, это аналог молекулярно-лучевой эпитаксии для биологических структур) позволяет создавать двумерные и многослойные системы и сверхрешетки на базе органических и биологических молекул и их сочетаний. Это открывает принципиально новые возможности для создания нанобиоорганических материалов, нанобиотехнологий и систем на их основе. Чтобы не быть голословным, приведу такой пример. На основе метода Ленгмюра-Блоджетт у нас в институте были получены сверхтонкие структуры, в которых впервые было обнаружено явление двумерного сегнетоэлектричества. А ведь это означает, что из этих структур можно создавать элементы памяти на органических монослоях!

Замечу: многообразие и возможности конструирования в органике на порядок шире, чем в неорганике, а путем самоорганизации можно создавать любые органические или гибридные структуры. На основе наноисследований и наноразмеров происходит уникальное методологическое сближение наук об органической и неорганической природе. Фактически мы приходим к возможности на базе междисциплинарных исследований конструировать приборы бионического типа - то, о чем говорили много лет назад, еще во времена Норберта Винера, когда кибернетика только зарождалась. Но чтобы всерьез заниматься нанотехнологиями и воплотить все это в жизнь, нужен серьезный исследовательский потенциал, и здесь чуть ли не первую роль играет инструментарий, и как раз у России в этом направлении наработан большой задел.

- Вы говорите об электронной микроскопии?


С развитием нанотехнологий обнаружилась одна очень интересная область - микросистемная техника. Она помогает вам создать электродвигатель размером с кофейное зерно или аналог землеройной машины для очистки кровеносных сосудов

- Не только, хотя по-прежнему наиболее важные и востребованные для нанотехнологии методы - это классическая электронная микроскопия, но с атомарным разрешением, которая дает вам видение прямой решетки - фактически вы видите ряды атомов, дефекты в них и так далее. Второе - это атомно-силовая, или туннельная, микроскопия, которая позволяет видеть атомарный рельеф и структуру контактным или бесконтактным методом. Но при этом еще можно манипулировать атомами, передвигая их по поверхности, то есть делать некую нанолитографию. В этом направлении работает много квалифицированных людей (к примеру, в Зеленограде в НИИ физических проблем). И атомно-силовая микроскопия сделала в России огромный рывок в последнее десятилетие. В последнее время выяснилось, что для нанодиагностики можно эффективно использовать ускорители электронов - синхротроны.

- Какая связь между ускорителями и нанотехнологиями?

- Как работает ускоритель? Вы разгоняете в нем пучок частиц до огромных скоростей, потом они попадают в мишень - и она "разваливается". Это регистрирует специальный детектор, и вы по трекам - следам, оставленным осколками, определяете, какие частицы рождаются. Такова в упрощенном виде модель ядерно-физического эксперимента на базе ускорителя. Но если вам надо ускорять частицы еще больше, новые затраты энергии к соответствующему увеличению скорости не приводят - виной тому паразитное, "тормозное" излучение.

- Синхротронное?

- Да. Оказалось, что это паразитное излучение обладает уникальными свойствами. Первое - у него непрерывный спектр: инфракрасный, видимый свет, дальше глубокий вакуумный ультрафиолет, ультрамягкий рентген, мягкий рентген, жесткий рентген и гамма-излучение - то есть все, что используется для диагностики. Второе - яркость. К примеру, рентгеновский спектр синхротронного излучения на восемь-десять порядков ярче, чем излучение существующих лабораторных рентгеновских трубок. Порядков! А на синхротронах третьего-четвертого поколения яркость уже больше на шестнадцать-девятнадцать порядков, есть сегодня проекты, где разница будет уже более чем на двадцать порядков. Это просто немыслимо! К тому же у этого излучения высокая степень естественной коллимации - лучевой пучок не рассеивается на протяжении десятков километров даже при прохождении через воздушное пространство. Все эти свойства синхротронного излучения, да еще подкрепленные успехами рентгеновских дифракционных исследований (в том числе проведенных в нашем институте), дали основание назвать сегодняшнее время ренессансом рентгеновской физики. И это значит, что синхротрон - уникальная исследовательская база для всей нанодиагностики. Теперь любые эксперименты с излучением: оптические, рентгеновские, инфракрасные - вы можете поставить в одном месте - там, где расположен ускоритель.

- И все-таки поясните, пожалуйста, как синхротронное излучение можно использовать для решения конкретных прикладных задач?

- Пожалуй, самый наглядный пример - микроэлектроника. Ведь почему в синхротроны сначала вкладывались огромные средства? Их планировали использовать для создания микросхем. Казалось, что дальнейшее уменьшение размеров в микроэлектронике (в соответствии с законом Мура) с помощью оптической или даже электронной литографии невозможно, и для дальнейшей миниатюризации предполагалось использовать синхротронную литографию. Но те, кто зарабатывал миллиарды долларов на выпуске оптических литографических установок, поднатужились и, вложив большие деньги в НИОКР, сделали немыслимое - довели разрешение оптической литографии почти до пределов теоретически возможного. Но с развитием нанотехнологий обнаружилась еще одна очень интересная область применения синхротронного излучения - микросистемная техника; кстати, это очень динамичный рынок. Например, вам необходимо создать электродвигатель размером с кофейное зерно или аналог землеройной машины для очистки кровеносных сосудов. Оптическая литография - это планарная технология, вы создаете топологию микросхемы в очень тонком слое, толщина которого не превышает микрона, и, скажем, сделать нанодвигатель с ее помощью практически невозможно - необходимо проникновение излучения на десятки микронов вглубь образца. Вот как раз в "глубокой литографии" синхротрон может здорово помочь.

- В России есть база для проведения подобных исследований и разработок?

- Раньше моим институтским коллегам приходилось проводить эксперименты на западных ускорителях, а сейчас мы активно начинаем исследования на недавно введенном в эксплуатацию и первом на постсоветском пространстве специализированном источнике синхротронного излучения в Курчатовском научном центре. Почти все исследовательское оборудование было изготовлено в КБ нашего института. Это техника высокого уровня, полностью совместимая с западными стандартами. Теперь мы надеемся оживить и второй центр в Зеленограде, строительство которого было заморожено в конце восьмидесятых.

Нанотехнологии - это та междисциплинарная область, где у России есть серьезные конкурентные возможности. Только американцы и мы имеем столь разветвленную науку, основанную на широкой междисциплинарной базе, это заметно даже на фоне Европы. И в этом смысле выборка, база междисциплинарная, у нас уникальная. Мы сейчас можем найти любого специалиста, к примеру, по молекулярной биологии или химическому синтезу. Это относится к области синтеза новых типов молекул и их комплексов, а также к их структурной диагностике и практическому использованию. У нас есть оригинальные разработки по молекулярной эпитаксии и биоорганическим слоям. Есть и институты, и люди, имена которых у всех на слуху. Короче говоря, для того чтобы с выгодой поучаствовать в "новом синтезе", у нас есть все предпосылки.