СМИ о нас
| 24.10.22 | 24.10.2022 Московский комсомолец. Российские ученые показали замену зарубежному томографу: тот может «сливать» медицинские тайны |
В ФИАНе показали альтернативу – прототип первого отечественного МРТ
Россияне не останутся без томографов, если западные разработчики решат ударить по этому «больному месту» и откажут нам в обеспечении комплектующими. Ученые Физического института им. Лебедева РАН презентовали прототип первого российского магнитно-резонансного томографа, который через пять лет может заменить большинство зарубежных установок. С виду – такой же, как и все остальные импортные установки. Однако – есть в нем своя изюминка – за счет оригинальной технологии более дешев в производстве, что сегодня особо актуально, да и по качеству не отстает от аналогов. Корреспондент «МК» разбиралась в деталях.
Создать его было так же сложно, как новый космический спутник. Государство еще в 2010 году вложило в разработку 900 миллионов рублей, и к 2017-му ученые придумали технологию и воплотили ее в прототипе, подготовили к промышленному производству. Ждали, когда страна воспользуется результатом их труда. Почему о нем вспомнили только сегодня, это, конечно, – вопрос. Как во многих наших отраслях, видимо, полагались на то, что «Запад нам поможет». Теперь на волне необходимости импортозамещения свой МРТ оказался очень кстати.
Еще в марте о нем было объявлено на Президиуме Российской академии наук, сказано было даже, что для таких работ следует ввести особый статус – «работа государственной важности».
В понедельник общественности показали эту установку, а точнее пока — прототип. В ФИАНе разработку представлял заведующий криогенным отделом института, доктор физико-математических наук Евгений Демихов.
– Наш технологический прорыв заключается в создании безгелиевых, безжидкостный томографов, что значительно удешевит их работу, – сказал Демихов. – Наш МРТ, собранный из 70 процентов отечественных комплектующих, сможет работать на так называемых сухих магнитах, которые остужаются без жидкого гелия. За счет этого прибор получается намного дешевле импортного. А за счет оригинального российского программного обеспечения при мощности всего 1,5 Тесла, дает результаты, как импортный в 3-5 Тесла. Все дело в том, что у нашей разработки лучше временная стабильность. Это важный параметр, который определяет результат, более точную постановку диагноза.
Евгений Демихов Фото: Наталья Веденеева
Итак, прототип существует. Теперь настало время внедрять его в производство. По словам Демихова, на это потребуется команда, как минимум, из 200 высококвалифицированных специалистов (многих из которых потребуется дообучить работе с новой системой) и пять лет упорного труда. Но зато потом все усилия окупятся сторицей. Во-первых, в стране будет налажен выпуск своих томографов (по 100 штук в год), – мы не останемся без качественных снимков даже если нам перекроют поставки все зарубежные производители. Во-вторых, мы сможем экономить на обслуживании такой техники, потому что для этого достаточно будет среднего медпресонала. В-третьих, новое оборудование будет обладать 100-процентной защитой от внешних попыток проникновения.
Последнее, по словам Демихова, очень важно, поскольку мало кому хочется, чтобы о его диагнозах знали зарубежные операторы. Да, да, в настоящее время все зарубежные томографы оснащены возможностью дистанционного управления. Это делается под предлогом быстрого устранения возможных неполадок производителем. Однако, как вы сами понимаете, лучше было бы иметь отечественное, защищенное программное обеспечение, возможность быстро модернизировать оборудование под наши потребности.
Есть еще один плюс разработки ФИАНа. Это вовлеченность в производство множества российских предприятий, а значит, увеличение рабочих мест в нашей стране.
Конечно, наверняка могут найтись сейчас те, кто захочет быстро собрать аналогичные томографы из китайских комплектующих, – риск такого поворота имеется. «Зачем тратится на сырые отечественные технологии? – спросят они. – Ведь на готовом – быстрее и лучше». Да только весь смысл в том и заключается, что лучше нам без своих технологий по большому счету уже не будет.
| 24.10.22 | 24.10.2022 Известия. Резонансное тело: ученые представили первый российский томограф нового поколения |
Российские ученые презентовали первый отечественный аппарат МРТ высокой мощности, который на 70% состоит из отечественных комплектующих. Прибор создали в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН. Российский аппарат дешевле иностранных аналогов и способен делать более качественные снимки. Ученые готовы перейти к серийному производству разработки в течение трех лет. Стоимость одного устройства составит от 80 млн до 100 млн рублей. По словам экспертов, иметь собственную МРТ-технологию в условиях санкций совершенно необходимо, потому что иностранное оборудование без должной технической поддержки может выйти из строя в любой момент.
В холоде
В Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) представили первый российский аппарат для магнитно-резонансной томографии современного поколения. Действующий образец устройства собрали в криогенном корпусе ФИАН, предназначенном для исследований процессов при крайне низких температурах. Выбор места не случаен, ведь для охлаждения томографа используется жидкий гелий, температура которого достигает –270 °C. Низкое потребление этого сжиженного газа — одно из главных преимуществ российской разработки по сравнению с иностранными аналогами.
Аппарат занимает небольшую комнату. В его центре расположено отверстие диаметром 120 см, куда помещается пациент. Внешне аппарат в пластиковом корпусе ничем не отличается от иностранных установок, которые используют в российских больницах. А вот большая часть (70%) внутренний начинки и сама технология — отечественные и они отличаются от западных. В дальнейшем разработчики готовы полностью избавится от иностранных деталей.
— Мы готовы начать массовое производство аппарата. Для этого мы должны подобрать все необходимые для промышленного применения комплектующие. Мы стремимся к выпуску 100 штук в год, что полностью покрывает российские потребности, — сказал руководитель отделения физики твердого тела ФИАН Евгений Демихов.
Фото: ИЗВЕСТИЯ/Павел Волков
Справка «Известий»
Магнитно-резонансная томография (МРТ) — способ получения изображения внутренних органов человека, который используется для медицинской диагностики. Он основан на измерении электромагнитного отклика атомных ядер водорода, которые помещают в сильное магнитное поле. Водород есть в большинстве тканей человека, поэтому МРТ можно применять для анализа практически любых болезней.
Легче и дешевле
Томограф, представленный журналистам, — действующий. Его уже использовали на практике для исследований головного мозга пациентов сотрудники Центра неврологии РАН. Также с ним работали медики Центра нейрохирургии РАН. Специалисты оказались полностью удовлетворены возможностями оборудования.
Главная деталь аппарата — магнит — был сделан из сверхпроводника российского производства. Использование специального сверхпроводящего материала позволяет в десять раз снизить массу железа, необходимую для работы устройства, что ограничивает его вес 3,5 т. Иначе томограф получился бы размером с трехэтажный дом.
Точность снимков МРТ зависит от мощности магнитного поля аппарата. У российского томографа она составляет 1,5 тесла. Ее достаточно для работы с большинством пациентов. Однако для отдельных исследований, например выявления болезни Альцгеймера на ранней стадии, необходима мощность 7 тесла. На Западе уже появляется подобное оборудование. По словам разработчиков, они тоже планируют создание таких приборов в будущем, но к этому нужно приступать уже после того, как удастся выпустить первый серийный томограф предыдущего поколения.
Руководитель отделения физики твердого тела ФИАН Евгений Демихов
Фото: ИЗВЕСТИЯ/Павел Волков
По оценкам ученых, на запуск прибора в серию уйдет около трех лет. Специалистам предстоит найти замену большей части иностранных деталей, которые стали недоступны из-за санкций. Однако такая необходимость поможет разработчикам перейти на новый технологический уровень, потому что они найдут собственные решения. Стоимость одного аппарата будет в районе 80–100 млн рублей. Это дешевле иностранных МРТ-установок.
Аппарат первой необходимости
МРТ-аппараты крайне нужны медицинским работникам — сейчас этот метод диагностики используют врачи практически всех специальностей, отметила директор Института биологии и биомедицины университета им. Н.И. Лобачевского Мария Ведунова. И 99% рынка — полностью зарубежная техника, часть из которой мы не можем получить, рассказали медики. При этом иностранное оборудование может выйти из строя в любой момент без должной технической поддержки, подчеркнула Мария Ведунова. Поэтому тот факт, что в России будет аппарат собственного производства, — очень хорошая новость, считает она.
— Надеюсь разрешение новых снимков действительно будет соизмеримо с иностранными образцами, которые мы используем сейчас, — сказала эксперт.
Импортозамещение медицинского оборудования в России необходимо, согласен главный внештатный детский аллерголог-иммунолог минздрава Московской области Андрей Продеус. Иметь собственную российскую МРТ-систему с аппаратами и всем необходимым для работы — большое преимущество, уверен специалист.
Фото: ИЗВЕСТИЯ/Павел Волков
— Мы начинали, когда аппараты были 0,3 тесла, этого было достаточно. Понятно, прогресс идет вперед. 1,5 тесла сегодня — это нормальная рутинная мощность, которой достаточно для большинства процедур, — заявил он.
Отдельные экспертные центры можно обеспечить более мощным оборудованием до 3 тесла для работы с особыми случаями, добавил эксперт.
| 24.10.22 | 24.10.2022 ТВЦ. "События". Эфир от 24.10.2022 17:50 |
Чёрную дыру пугающих размеров обнаружила международная команда астрономов. По космическим меркам она расположена настолько близко к нашей планете, что исследователи назвали её монстром на заднем дворе Земли. Масса этой невидимой соседки в 12 раз больше, чем у Солнца...
https://www.tvc.ru/channel/brand/id/29/show/episodes/episode_id/78696
| 24.10.22 | 24.10.2022 ТВЦ. Российский аппарат МРТ превосходит иностранные аналоги |
Первый российский томограф сегодня представили в Москве. Ученые из Физического института имени Лебедева создали уникальную МРТ-установку, которая сможет в будущем заменить дорогостоящие импортные приборы.
Отечественный аппарат МРТ на 70% состоит из отечественных комплектующих, но совсем скоро будет на все 100. Кое-что в российской разработке и вовсе превосходит иностранные аналоги. Например, в отечественном томографе, разъясняют специалисты, "временная стабильность" лучше.
"Конкурентоспособный прибор. Величина электрического тока - она определяет величину магнитного поля, которая является ключевым параметром. Чем быстрее будет падать значение тока, тем хуже работает томограф. И мы делаем всё для того, чтобы значение тока не падало", - пояснил профессор, доктор физико-математических наук Евгений Демихов.
В результате получаются более качественные снимки, а значит - более точный диагноз. Внутри томографа - сверхпроводящий магнит высокой мощности, это основа технологии МРТ. Есть возможность менять конфигурацию и величину магнитного поля под спецзадачи. Сейчас ведутся разработки и испытания отечественных аналогов импортных комплектующих от разных российских институтов и предприятий.
"Любое предприятие, которое выпускает точные и сложные изделия, оно опирается на сеть субподрядчиков, каждое из которых является лидером в своём узком направлении. И если все эти узкие направления сложить, то у нас получается очень интересный и конкурентоспособный прибор", - отметил Евгений Демихов.
Программное обеспечение тоже российское. Подобные аппараты зарубежного производства имеют дистанционное управление. То есть диспетчер, например, в Нидерландах может удалённо не только исправить неполадку, но и получить полный доступ к истории исследований.
Для охлаждения обмотки магнита в томографах такого типа используется жидкий гелий. Необходимо примерно 1000 литров, чтобы заправить аппарат МРТ. Это около 3 млн рублей. Иностранные машины необходимо заправлять раз в полтора-два года. Российский аналог - раз в пять лет.
Такие аппараты будут на 30% дешевле, чем гелиевые, в России уже есть опытный образец. По предварительным оценкам, стоимость производственной линии гелиевых аппаратов - около 4 млрд рублей.
| 19.10.22 | 19.10.2022 Троицк Информ. Учителя сели за парты |
VI Троицкая школа повышения квалификации преподавателей физики «Актуальные проблемы физики и астрономии: интеграция науки и образования» стартовала 17 октября. Шесть дней педагоги будут слушать лекции ведущих российских учёных, посещать НИИ и инновационные центры Троицка, участвовать в различных мастер-классах. По итогам обучения педагогам будут выданы удостоверения МПГУ о прохождении курсов повышения квалификации.
Первая Школа состоялась в 2017 году. Идея принадлежит Николаю Кучеру, в те годы он был директором Лицея Троицка, а сейчас преподаватель физики. Программу поначалу «обкатали» на троицких учителях. Эксперимент оказался удачным, и на следующий сезон в Троицк пригласили столичных педагогов. А потом к проекту подключился Президиум РАН. Так ТШПФ стала работать с базовыми школами РАН, появилась возможность приглашать учителей из регионов. За пять лет курс окончил 331 преподаватель из более чем 30 регионов нашей страны. Среди них 65 учителей из базовых школ РАН, 140 педагогов из Москвы и 27 из Троицка. «Я считаю, что Школа учителей физики – уникальное явление, – говорит глава Троицка Владимир Дудочкин. – В России много образовательных центров. Но такого подбора докладчиков, которые читают лекции педагогам, рассказывают о современных тенденциях физической науки, на мой взгляд, нигде нет, как нет и такого разнообразия институтов РАН».
«Школа становится традиционной, и это радует, – отмечает председатель оргкомитета ТШПФ, руководитель ТОП ФИАН, заведующий кафедрой МПГУ, член-корреспондент, профессор РАН Андрей Наумов. – Мы надеемся, что проект будет продолжаться. И бесконечно признательны всем, кто его поддерживает».
В этом году знакомиться с современными научными достижениями приехали 25 учителей из 16 регионов страны. Людмила Широкова преподаёт физику и астрономию в гимназии Волгограда. «Так всё неожиданно здорово, что мы спрашиваем себя:
«В чём подвох?» – улыбается
она. – Нас встретили как дорогих гостей, и, судя по программе, нас ждёт очень интересная неделя, чему мы искренне рады». Елена Кутырёва обучает физике в 10-м Одинцовском лицее. «Это лицей математического направления, но физика подаётся на углублённом уровне, – поясняет учитель. –
Я впервые в Троицке, приехала сюда с большими ожиданиями».
Троицкие педагоги также стараются посещать лекции. «Это как новый глоток воздуха, – говорит директор Гимназии им. Пушкова Наталья Тимошенко. – Здесь работают лекторы такого уровня! Единственное, в этом году конференция не совпадает со школьными каникулами. У нас в Гимназии два физика, но я не могу снять их с уроков на полный день. И всё же мы выстроили расписание так, чтобы здесь могли побывать на отдельных лекциях наши школьные физики, химики и биологи».
Каждый раз программа немного меняется. «В этом году много нового, – рассказывает Андрей Наумов. – Помимо знакомства с высокой наукой, педагоги будут общаться с представителями МФТИ, а также Министерства просвещения, которые разрабатывают материалы для ОГЭ и ЕГЭ. Мы начинаем расширять направление мастер-классов, на них приедут коллеги, которые разрабатывают задания к Всероссийской олимпиаде школьников. Пройдут мастер-классы по робототехнике, астрономии, лекция по социофизике».
Ряд тем Троицкой школы преподавателей физики приурочен к 100-летнему юбилею нобелевского лауреата академика Николая Басова – одного из отцов-основателей Академгородка в Красной Пахре. Лекционную часть ТШПФ открыл директор ФИАНа им. Лебедева, член Президиума РАН, член-корреспондент РАН Николай Колачевский. Он рассказал о научном наследии Басова и ярких приложениях лазерной физики в навигации, метрологии, квантовых технологиях. «В течение длительного времени Басов был директором ФИАНа, учёный является символом сегодняшней физики, – подчеркнул Колачевский. – Идеи, над которыми он работал, касались разных направлений: это лазерный термоядерный синтез, стандарты частоты, полупроводниковые лазеры. Его исследования повлияли на развитие в наши дни и интернета, и Глонасса. Только в XXI веке на работы Басова и Прохорова опирается девять Нобелевских
премий».
Вопросы, как и на любых других занятиях, в Троицкой школе преподавателей физики приветствуются. Дмитрий Морозов, учитель физико-математического лицея Сергиева Посада, поднял интересующую его тему после первого выступления. «В физических законах есть две массы, инертная и гравитационная, – говорит Дмитрий. – И до сих пор нет убеждённости, что это одно и то же. Сегодня мне ответили, что с большой точностью эти две массы равны. И точность растёт с течением времени. Мне обещали прислать материал, если будет возможность. Уже первая лекция была очень интересной, – добавляет Дмитрий. – Я обязательно расскажу детям о Басове, его научном наследии, о том, в каких областях у него были открытия и как они сейчас используются».
В этом году Школа стала шестидневной – оказалось, что в пять дней, как это было ранее, вместить всё просто невозможно. Обучение суперинтенсивное: лекции начинаются в 9 утра, а мастер-классы, пусть и не во все дни, заканчиваются в 10 вечера. Днём экскурсии. Так, только в первые два дня планируется посетить четыре троицких НИИ – ИФВД РАН, ТИСНУМ, ТОП ФИАН и ИСАН. Экскурсии – это, по большому счёту, закрепление «теоретического материала», полученного на лекциях. «Сейчас всё очень быстро развивается, и школьным учителям физики нужно следить за современными тенденциями, ориентироваться в этих процессах, – подчёркивает глава Троицка Владимир Дудочкин. – В Троицке 10 научно-исследовательских институтов, которые охватывают практически весь спектр физической науки». «Значение Троицкой школы и других похожих школ трудно переоценить, – считает начальник управления Президиума РАН Станислав Давыденко. – Мы ждём, что педагоги, пообщавшись с крупнейшими учёными и побывав в современных лабораториях, получат вдохновение и смогут передать его своим ученикам.
И если хотя бы часть из них, в свою очередь, целью своей жизни выберут науку, я считаю, что цель этой Школы будет достигнута».
Наталья МАЙ,
фото Александра КОРНЕЕВА и Кирилла ШАШКОВА
| 24.10.22 | 24.10.2022 Московский Комсомолец. В Физическом институте имени Лебедева показали первый российский томограф |
Руководитель лаборатории ФИАН Евгений Демихов рассказал о том, что представляет собой магнитно-резонансный томограф российской сборки. По его словам, это яркий пример импортозамещения. Аппарат создан по абсолютно новой технологии и отличается от зарубежных МРТ. В частности, он работает на так называемых сухих магнитах, не требующих охлаждения дорогостоящим гелием.
| 24.10.22 | 24.10.2022 Научная Россия. ФИАН представил уникальную российскую МРТ-установку |
Ученые из Физического института им. П.Н. Лебедева (ФИАН) во время пресс-тура продемонстрировали корреспондентам «Научной России» уникальную российскую МРТ-установку. В условиях санкционного давления этот прибор призван стать заменой дорогостоящим импортным томографам. От зарубежных аналогов его выгодно отличает отсутствие потребности в жидком гелии, что сокращает расходы по обслуживанию аппарата на 30%.
Разработчик, руководитель отделения физики твердого тела ФИАН Евгений Иванович Демихов рассказал об особенностях новой установки.
«Это очень сложная технология. Такой прибор можно сравнить разве что со спутником, который запускают в космос. Наше пространственное разрешение 0,5 мм позволяет диагностировать большую часть всех существующих патологий», — сообщил Е.И. Демихов.
Тем значительнее технологический прорыв, которого удалось достичь ученым ФИАН — устройство может работать непрерывно в течение пяти лет, не требует охлаждения жидким гелием. Таким образом российская медицина не только сокращает расходы на закупку МРТ-устройств за рубежом, но и тратит гораздо меньше денег на их обслуживание.
«Когда в 2008 г. разработка этого устройства только начиналась, в успех пока еще никто не верил, и только два-три человека из всего коллектива разделяли мою убежденность в том, что мы это сделаем. И мы действительно выиграли схватку с, можно сказать, природой. Наличие такого прибора говорит о высокой технологической культуре, которая сохранилась в нашей Академии наук», — дополнил Е.И. Демихов.
Разработчики ФИАН вновь подтверждают статус передового института страны, который взрастил семерых нобелевских лауреатов. Принципиально новая конструкция МРТ-установки станет важным шагом в развитии качественного импортозамещения в нашей стране. Около 70% комплектующих томографа — отечественные, как и все программное обеспечение. Более того: ФИАН уже готова к налаживанию производства.
«Для того, чтобы запустить производство, нам нужно полностью пересобрать установку, поскольку необходимо избавится от последних элементов, которые мы закупали за рубежом. Это очень большой объем работ, но он выполним. По предварительным оценкам, для того, чтобы производить сотню томографов в год, нам понадобятся еще примерно три года подготовки», — заключил Е.И. Демихов.
Материал подготовлен при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.
https://scientificrussia.ru/articles/fian-predstavil-unikalnuu-rossijskuu-mrt-ustanovku
| 23.10.22 | 23.10.2022 Наука и жизнь. Как научить нанороботов плавать и доставлять лекарства |
Учёные из Физического института им. П.Н Лебедева РАН придумали новый магнитный материал, с помощью которого умные нанороботы смогут доставлять лекарства к опухоли или бороться с болезнетворными микроорганизмами. О том, как это будет работать, какие здесь ещё возможны применения и что такое химический магнит, рассказывает Борис Кичатов, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории активных коллоидных систем.
Илл.: PPPL/Flickr.com; motionstock/ pixabay.com
– Борис Викторович, чем занимается ваша лаборатория?
– Мы занимаемся исследованием нано- и микромоторов – устройств, способных использовать энергию либо окружающей среды, либо запасённую в них самих, и способных двигаться самостоятельно. Несмотря на большое разнообразие исследований в данной области, вариантов механизмов, ответственных за перемещение нано- и микророботов, в настоящее время существует весьма ограниченное количество. Попросту говоря, их можно пересчитать на пальцах двух рук. Это, например, электро- и диффузофорез, диэлектрофорез, течение Марангони и некоторые другие. В эту немногочисленную копилку механизмов для перемещения нано- и микророботов мы внесли свой вклад. Мы разработали новый механизм, который условно можно назвать «явление химического магнетизма».
– Насколько я понимаю, нанороботы нужны, прежде всего, для доставки лекарств по кровеносным сосудам?
– В том числе. Во всём мире сейчас создаются роботы нано- или микроразмерного масштаба, которые могут выполнять различные задачи, в том числе, связанные с биомедициной, когда в кровеносный сосуд запускается инъекция из таких моторов, несущих на себе лекарственное соединение. Они достигают раковой опухоли и могут бороться с ней. Можно их принимать и перорально, через рот.
– То есть, принять вещество, начинённое такими моторами?
– Именно так. Благодаря активному движению они способны за единицу времени охватить большой объем в желудке или кишечнике, например, для того чтобы эффективно бороться с бактериями. Один из самых перспективных механизмов перемещения моторов связан с использованием энергии магнитного поля. Для того чтобы робот двигался, в его состав должен входить тот или иной магнитный материал. Магнитные свойства различных материалов весьма сильно отличаются друг от друга. Наибольшим коэффициентом магнитной восприимчивости обладают ферромагнитные металлы, такие как железо, кобальт и никель, но их, к сожалению, не всегда возможно внедрять в состав подвижных роботов. При этом парамагнитные и диамагнитные металлы обладают существенно меньшим коэффициентом магнитной восприимчивости по сравнению с ферромагнитными металлами, а потому на роботы, изготовленные из таких металлов, в неоднородном магнитном поле действует существенно меньшая магнитная сила.
– А повысить этот коэффициент никак нельзя?
– Именно этим вопросом мы и задались. Можно ли каким-то образом увеличить коэффициент магнитной восприимчивости робота, изготовленного из парамагнитных или диамагнитных металлов? В качестве первого шага мы создали модель робота, которая ещё далека от практического воплощения, но она позволила нам изучить все особенности данного процесса. На эту тему мы совсем недавно опубликовали статью в высокорейтинговом научном журнале Physical Chemistry Chemical Physics.
С этой целью нами был создан биометаллический пловец – пластинка, состоящая из двух разнородных металлов. Эти разнородные части пловца выполняют роль катода и анода. Пловец помещается на поверхность раствора электролита…
– А почему вы не взяли просто воду?
– Если мы поместим такого пловца на поверхность обычной воды, никаких химических реакций при этом протекать не будет. А нам это совершенно необходимо. В неоднородном магнитном поле пловец, изготовленный из диамагнитных металлов, будет выталкиваться из области магнитного поля и двигаться в направлении уменьшения его напряженности. Если он изготовлен из парамагнитных металлов, то он будет, наоборот, двигаться в направлении увеличения напряженности магнитного поля.
В процессе эксперимента мы измеряли, под действием какого градиента магнитного поля возможно перемещения для такого рода пловца. Магнитная сила, действующая на пловец, пропорциональна градиенту поля. Если градиент магнитного поля маленький, то сила инерции и сила трения, действующие на робот, значительно больше, чем магнитная сила, и такой пловец двигаться не сможет.
Затем мы поместили нашего пловца, изготовленного из цинка и меди, на поверхность раствора электролита сульфата меди. В этом случае запускается окислительная-восстановительная реакция. При этом цинк будет окисляться, в результате чего образуются ионы цинка, а медь из раствора будет восстанавливаться. При протекании такого рода химических реакций через металл будут двигаться электроны от цинка к меди, а в растворе электролита будут двигаться ионы. Таким образом, наш пловец охвачен петлёй с током. Известно, что на любую петлю с током в неоднородном магнитном поле действует магнитная сила.
Мы создали такую петлю с током, чтобы на нашего пловца в магнитном поле начала действовать дополнительная магнитная сила. В наших экспериментах неоднородное магнитное поле создавалось с помощью постоянного магнита. Мы показали, что в случае протекания химических реакций в системе, наш пловец способен двигаться при весьма малых градиентах магнитного поля. Это означает, что магнитная сила, которая на него действует, возросла за счёт роста коэффициента магнитной восприимчивости. Фактически мы сделали первый важный шаг к созданию химического магнита.
– Но ведь это не наномагнит?
– Пока что нет. Мы пока сделали макроскопическое устройство, но основную идею этого робота можно перенести и на наноуровень. Например, путём напыления металлов в нанопоры можно создать наноразмерный биметаллический робот. Представьте себе жидкость, в которой диспергированы такого рода микро- или наночастицы, и эта жидкость будет магнитной при условии, что в ней протекают химические реакции. Если реакции есть, магнетизм возникает, и наоборот.
– И для чего это нужно?
– Это нужно для создания микро-нанороботов, которые способны двигаться в химической среде даже под действием слабых магнитных полей. Вторая возможность – как мы уже поняли, биосенсоры и системы доставки лекарств. Такого рода частицы погружаются в соответствующую среду, и если там протекает химическая реакция, то изменяется магнитная восприимчивость среды, и это состояние можно детектировать.
Это важно и с фундаментальной точки зрения. Мы знаем, что слабые магнитные поля не влияют на химические реакции. Представьте, что вы идёте мимо провода, по которому течёт электрический ток. Вы находитесь в области переменного магнитного поля, но ничего с вами не происходит, хотя в вашем кровотоке ежесекундно протекает свыше 15 миллионов химических реакций. Возникает вопрос: а верно ли обратное? Оказывается, нет. Химические реакции способны порождать магнитные явления, и это очень интересное наблюдение.
Ещё мы исследовали всевозможные параметры, от которых может зависеть химический магнетизм. Например, известно, что коэффициент магнитной восприимчивости для железа с повышением температуры уменьшается. А в нашем материале – химическом магните, наоборот, с повышением температуры магнетизм усиливается, потому что усиливается интенсивность протекания химической реакции.
– Если вернуться к доставке лекарств, то чем разработанный вами метод лучше, чем уже существующие?
– Чем вообще интересны наночастицы? У них отношение площади поверхности к объёму очень велико. Представьте, что на поверхности мы поместили какое-то лекарственное соединение, а потом при помощи магнитного поля станем двигать эти частицы в заданное место. Если мы просто сделаем пациенту укол с такими наночастицами, то диффузия может разбросать это лекарственное вещество по всему организму. А лекарства, особенно для больных раком, часто весьма токсичны и могут быть радиоактивными. Тут же мы доставляем лекарство четко к заданному месту, используя для этого магнитное поле, которое прекрасно тем, что проникает глубоко в ткани и безвредно для человека.
Но сила, которая действует на эти наномоторы, должна быть больше, чем внешнее броуновское воздействие со стороны молекул окружающей жидкости, иначе моторы не смогут двигаться. Как я уже сказал, спектр материалов, которые имеют большой коэффициент магнитной восприимчивости, чрезвычайно узок. При обычной температуре это железо, кобальт и никель. Мы придумали метод, как можно увеличить коэффициент магнитной восприимчивости для других металлов.
Конечно, биомедицина – это только одна из многочисленных возможностей, которые может открыть этот метод. Ещё такие системы можно использовать в процессах, связанных с химическими технологиями – например, в процессах сепарации. А многого мы пока даже не предполагаем. Главная ценность нашей работы состоит в том, что мы добавили в немногочисленную коллекцию известных методов перемещения роботов совершенно новый и нетривиальный механизм, который по своей сути не сводится к ранее известным.
Автор: Наталия Лескова
| 19.10.22 | 19.10.2022 Российская академия наук. В ФИАНе создали «химический магнит» для будущих наномоторов |
Ученые Физического института имени П. Н. Лебедева РАН создали новый тип магнитного материала – химический магнит, чьи магнитные свойства меняются, если в нем протекает окислительно-восстановительная реакция. Это поможет создать новые нано- и микромоторы для прикладных задач, например, для целевой доставки лекарств с помощью нанороботов. Статья, описывающая результаты эксперимента, опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.
«Мы провели серию экспериментов с биметаллической пластиной, плавающей на поверхности электролита, и показали, что если в такой системе протекает химическая реакция, то такой „пловец” работает как магнит», – говорит первый автор статьи, ведущий научный сотрудник Лаборатории активных коллоидных систем ФИАН, доктор наук Борис Кичатов.
Магнитные свойства металлов очень разнообразны. Наибольшей магнитной восприимчивостью обладают ферромагнетики. При комнатной температуре ферромагнитные свойства демонстрируют железо, кобальт и никель. Остальные металлы – парамагнитные или диамагнитные материалы.
Если робот сделан из парамагнетика или диамагнетика, то в неоднородном магнитном поле на него будет действовать более слабая магнитная сила, чем в случае использования ферромагнитных металлов. Но можно ли повысить эффективную магнитную восприимчивость роботов, изготовленных их парамагнитных и диамагнитных металлов? Ответ на этот вопрос удалось получить авторам статьи.
В последние годы ученые активно исследуют методы разработки нано- и микророботов, которые могут перемещаться в жидкостях, в частности, внутри клеток и в кровеносных сосудах. Такие роботы могут иметь различную форму и приводиться в движение как внешними источниками энергии, так и использовать топливо, добываемое из окружающей среды.
Для приведения в движение плавающих нанороботов могут использоваться двигатели, основанные на разных физических эффектах. Это может быть, например, электрофорез, реактивная сила при газогенерации, воздействие электрических, магнитных, акустических полей или света. Использование магнитных полей – один из наиболее перспективных методов перемещения таких «пловцов».
Ученые ФИАН создали робота, части которого были изготовлены из парамагнитных или диамагнитных металлов с разными электрохимическими потенциалами, которые играли роль анода и катода. Затем робот помещали на поверхность жидкого электролита. Фактически подобный робот представлял собой плавающую батарейку.
В системе начиналась окислительно-восстановительная реакция, при этом по корпусу робота двигались электроны, а в растворе электролита – ионы, возникала петля с током, и этот контур представлял собой элементарный магнит.
Схема химической реакции в биметаллической пластине.
«В неоднородном магнитном поле на любую петлю с током действует магнитная сила, и на „пловца” при протекании химической реакции начинает действовать дополнительная магнитная сила – иными словами, можно сказать, что магнитная восприимчивость такого робота возрастает по сравнению с магнитной восприимчивостью металлов, из которых он был изначально изготовлен», – рассказывает Борис Кичатов.
Далее ученые перемещали над «пловцом» постоянный магнит из неодима, железа и бора, создавая тем самым неоднородное магнитное поле. Так в процессе эксперимента они оценили максимальную высоту магнита над «пловцом», при которой он мог двигаться вместе с магнитом. Оказалось, что критическое расстояние, на котором действуют магнитные свойства «пловца», составляет 14 миллиметров.
Чтобы доказать, что петля тока играет ключевую роль в возникновении химического магнетизма, ученые провели эксперимент с пластиной, полностью изготовленной из цинка. Они сравнивали ее движение в неоднородном магнитном поле, то есть под воздействием постоянного магнита, на поверхностях воды и раствора сульфата меди. Несмотря на то, что между цинком и раствором сульфата меди шла реакция, на такого пловца не действовала дополнительная магнитная сила. Фактически химическая реакция не оказывала влияния на эффективную магнитную восприимчивость пловца, так как в этом случае не возникает петли тока.
«Когда магнитная восприимчивость робота была низкой, он просто не двигался за этим магнитом. Так мы доказали, что при протекании химических реакций магнитная восприимчивость материала может вырасти на порядок величины. Фактически мы в некоторой степени приблизили магнитные свойства парамагнитного металла к показателям ферромагнетиков. Конечно, такие преимущества не возникают в природе „бесплатно”. Дополнительный магнетизм обусловлен протеканием химических реакций, и как только реакция прекращается, система приходит в состояние равновесия и химический магнетизм вырождается», – говорит Борис Кичатов.
Ученые экспериментировали с разными парами металлов, тем самым изменяя разность потенциалов на электродах, и выяснили, что это приводит к изменению тока, и, следовательно, магнитной восприимчивости. Например, индий, как и цинк, является диамагнитным металлом. Однако в электрохимическом ряду он расположен ближе к меди, чем к цинку. Благодаря этому максимальное расстояние между пловцом и магнитом, при котором пловец все еще движется вместе с магнитом, у робота на основе сплава In–Cu оказывается меньше, чем у Zn–Cu.
Кроме того, ученые установили, что магнитные свойства химического магнита можно регулировать за счет изменения концентрации сульфата меди в растворе и вариаций температуры. Влияние обоих факторов обусловлено их воздействием на скорость протекания химических реакций, от которой, в свою очередь, зависит ток, протекающий через плавающего робота.
В перспективе, полагают ученые, такие химические магниты можно будет использовать для производства микро- и наномоторов, которые могут под действием магнитного поля перемещаться по кровеносным сосудам и доставлять лекарство в нужное место, а также решать другие прикладные задачи. Если уменьшить таких роботов до наноразмера и диспергировать их в химически реагирующей жидкости, то в будущем можно создать суспензию, магнитные свойства которой возникают лишь при протекании в системе химических реакций. Такие магнитные жидкости могут служить основой для создания различных биосенсоров.
https://new.ras.ru/activities/news/v-fiane-sozdali-khimicheskiy-magnit-dlya-budushchikh-nanomotorov/
| 19.10.22 | 19.10.2022 Научная Россия. Член-корреспондент РАН Н.Н. Колачевский: академик В.А. Рубаков пользовался непререкаемым авторитетом |
Сегодня ушел из жизни выдающийся физик, академик Валерий Анатольевич Рубаков. Член-корреспондент РАН, директор Физического института им. П.Н. Лебедева РАН Николай Николаевич Колачевский прокомментировал эту невосполнимую для всего научного сообщества утрату:
«Это трагическая новость для всего нашего научного сообщества. Валерий Анатольевич Рубаков был великим ученым, светилом ядерной физики. Он во многом определял направления развития физики высоких энергий и всей мировой науки. Валерий Анатольевич пользовался совершенно непререкаемым авторитетом. Он оставил после себя огромное количество учеников. Мы с ним всегда очень тесно взаимодействовали как по науке, так и в рамках журнала “Успехи физических наук”, где он был главным редактором. Для всех нас, не только физиков-ядерщиков, но и для всех сотрудников ФИАНа, новость об уходе из жизни Валерия Анатольевича настолько неожиданная и тяжелая, что мы не можем до конца осознать то, что его с нами больше нет…».
