СМИ о нас

(с) Leiden University Linnartz/Tielens

Российские ученые воссоздали на земле условия, благодаря которым в космосе при низких температурах образуются «кирпичики жизни» — полициклические ароматические углеводороды. Как это приближает нас к разгадке тайны возникновения жизни, «Газете.Ru» рассказал соавтор работы Валерий Азязов, директор Самарского филиала Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН).

— Как проводился этот эксперимент и какую он имеет связь с победившим в конкурсе мегагрантов Самарским филиалом ФИАН?

— Мегагрант правительства Российской Федерации «Происхождение и эволюция органических молекул в нашей Галактике» был запущен в прошлом году, а соглашение было заключено в июне. Понятно, что готовую установку за такое время построить было тяжело, поэтому эксперименты первоначально проводились в лаборатории ведущего ученого этого проекта, руководителя мегагранта, профессора Гавайского университета на Маноа Ральфа Кайзера. Он проводит такие эксперименты на своей установке на Гавайях. Там же работал один из наших ученых, Иван Антонов, который находился в США несколько месяцев, он тоже участвовал в этих экспериментах, в том числе с этой установкой.

Валерий Азязов. (с) Из личного архива

Прежде не было до конца ясно, как образуются те органические молекулы, что выявляются, например, радиотелескопами или по излучению в других электромагнитных диапазонах — в видимом свете, в инфракрасной области. Считалось, что жесткое излучение оказывает на органику губительное воздействие, и молекулы в таких условиях просто разбиваются на части. Однако на самом деле молекулы не только диссоциируют под воздействием этого излучения, при этом идут также реакции синтеза по укрупнению этих молекул.

В газовой фазе концентрация этих молекул очень невелика. Поэтому скорость образования этих молекул и вероятность того, что излучение, которое распространяется в космосе, воздействует на них, недостаточны, чтобы за время существования туманности образовались какие-то сложные молекулы. В результате было выдвинуто предположение, что процессы идут в твердой фазе, где концентрация частиц высокая, и подобные реакции могут быть инициированы космическим излучением.

Если какая-то частица попадает на песчинку, покрытую льдом, то может произойти взаимодействие — примерно так же появляется видимый трек в камере Вильсона — пока высокоэнергичная частица летит, она выбивает из молекулы вторичные электроны, соответственно могут образовываться химические радикалы, которые затем объединяются.

В своих экспериментах мы на пластинку осаждаем пленку льда и тем самым воспроизводим тот лед, что находится в космических условиях, затем запускаем в камеру соответствующие газы, и они будут осаждаться на этой пластинке. И далее контролируем толщину этой пластинки. После того, как мы наморозили слой, скажем, в 1 мкм, мы держим эту пластинку при температуре 10 К и начинаем бомбардировать ее разными частицами, в частности, ультрафиолетом — то есть фотонами жесткого диапазона.

Молекул, которые наблюдаются в космосе, бесчисленное множество, и понять, как образуется та или иная молекула — это означает решить отдельную задачу. Этим предстоит заниматься еще многим лабораториям долгие годы.

— Вы предполагаете продолжить эти эксперименты, построив установку в Самаре, где будут изучаться другие молекулы и другие типы излучения?

— Да, конечно. Такие лаборатории есть не только у нас, они есть в Китае, в Соединенных Штатах и т.д.

Экспериментальная установка строится в Самарском филиале ФИАН. Это вакуумная камера, в которой создается разрежение 10-11 мм рт. ст., чтобы приблизиться к космическим условиям, потом предполагается намораживать лед на пластине, которая будет охлаждаться до 10 К. Система для откачки воздуха включает в себя последовательность безмасляных турбомолекулярных насосов для того, чтобы избежать загрязнений земной органикой.

Мы будем намораживать лед, запуская в камеру контролируемое количество газов, например, пары воды, кислород, CO, CO2, N2. Молекулярные облака в космосе обладают примерно таким же составом газов и пыли, температура там низкая, и газы просто конденсируются на поверхности песчинок, образуя соответствующие слои. При 10 K все эти составляющие, естественно, будут налипать на песчинки в виде льда. Образуется, в частности, метановый лед — если говорить о простейшей органике, — все это осаждается в виде льдов на этих песчинках. Подобная установка действовала и на Гавайях.

— А в космосе не предполагаются эксперименты на спутниках или на МКС?

— Нам требуется выполнять эксперименты в строго контролируемых условиях. Космическое излучение бывает самым разным, в том числе и по энергиям. Конечно, этот лед можно наморозить, выставить за борт космического корабля и подождать, что там будет со временем. Но там же еще нужно будет диагностику проводить. А как в космосе все это делать? На данный момент необходимости в подобных космических экспериментах пока нет. Гораздо удобнее это делать в лабораторных, хорошо прогнозируемых и строго контролируемых условиях.

Когда мы бомбардируем образец электронами, то воспроизводим те условия, в которых эволюционирует какая-либо туманность.

В начале она долгое время находится при данной криогенной температуре, там образуются песчинки, а на песчинках — молекулы в виде льда. Если возникнет какая-то флуктуация плотности в каком-то месте туманности, то газ начинает сжиматься. При сжатии, коллапсе, он нагревается, температура в нем начинает подниматься. Получается 10 К, 50 К, 100 К, потом 300 К. И эти молекулы, которые были во льду, начинают при повышении температуры сублимироваться, переходить в газовую фазу. В области звездообразования, где звезда только-только начинает образовываться, в этот момент еще ничего нет, но уже нагрелась какая-то центральная часть этого облака. И когда эти молекулы начинают выходить в газовую фазу, наши радиоастрономы их и регистрируют по спектрам. Таким образом зарегистрировано уже несколько сот молекул.

Помимо регистрации молекул астрономами, к нам на Землю попадают метеориты, их собирают и изучают состав. И там тоже находят эти молекулы. Еще один путь обнаружения сложных органических молекул из космоса — это вещество, доставленное с комет и астероидов, например, с кометы Чурюмова — Герасименко, куда летала автоматическая межпланетная станция Rosetta. То же самое проделывали японские аппараты «Хаябуса» и «Хаябуса-2», доставившие образцы грунта с астероидов Итокава и Рюгу.

Молекулы эти везде присутствуют, а теперь надо понять, как же они образуются. Это важно потому, что тем самым мы ищем ответ на вопрос о том, как появилась жизнь, где образовались исходные сложные молекулы. То ли они образовались уже на Земле, то ли Вселенная так устроена, что эти молекулы образуются в самых разных местах самыми разными способами. Один из возможных сценариев — образование в туманностях за счет воздействия космических лучей. Чтобы химическая реакция при низких температурах пошла, надо сделать молекулы активными, сообщить им энергию. После того, как молекулы при воздействии частиц разлетелись на куски, образовались какие-то радикалы, они начинают реагировать со своим окружением, создавая новые молекулы.

Есть и второй возможный вариант, где можно искать фабрики таких молекул. Речь может идти о финальной стадии эволюции небольших звезд, похожих на наше Солнце. Спустя миллиарды лет Солнце, выработав в своих недрах водород, перейдет на другой процесс синтеза, будет жечь другое термоядерное «горючее». Гравитация при этом уже не справляется, и звезда сильно раздувается, переходя в стадию красного гиганта. Считается, что Солнце тогда поглотит Меркурий, Венеру и, возможно, Землю.

И когда дело дойдет до Земли, температура на ее поверхности будет уже не такая высокая, порядка 2000 К, при этом тоже могут образовываться активные молекулы.

Затем происходит сброс внешних оболочек звезды, сама она превращается в белого карлика, а вокруг нее образуется так называемая планетарная туманность. И в этой туманности будет содержаться бульон из самых разных молекул, а не только простейшие гелий и водород.

— То есть смерть звезды на каком-то очередном витке может дать начало новой жизни?

— Да, космическое пространство не стоит представлять исключительно холодным, безжизненным и состоящим исключительно из простых соединений, максимум молекул воды. Образуются бесчисленные фуллерены, наночастицы, нанотрубки, графен. Но на данном этапе мы больше занимаемся углеводородами. Потому что это основа жизни. А если в эту «ароматику» начинают внедряться еще и атомы азота, то получаются уже практически пребиотические молекулы.

— Но для того, чтобы эти «кирпичики жизни» развились в жизнь, они же должны еще попасть в какое-то подходящее место? И где это может быть: на планетах, спутниках — в какой именно части Солнечной системы?

— Главное, что стадия образования крупных молекул из мелких может успешно протекать даже в космосе. И это — часть ответа на вопрос, одиноки ли мы во Вселенной или еще где-то есть жизнь. После таких исследований вероятность всех этих событий увеличивается. Если подобные молекулы есть везде в космосе, то вероятность зарождения жизни тоже увеличивается.

Но для появления привычной нам жизни, конечно, нужна вода и достаточно высокая температура. Хотя и в Антарктиде, где -50°С, находят живые организмы, которые живут во льду и как-то двигаются. И на Марсе они могут сохраняться до сих пор — конечно, в первую очередь, где-то не на поверхности, а чуть глубже. Их там ищут целенаправленно марсианские аппараты. И на некоторых спутниках планет-гигантов, где есть вода, которая покрыта льдом, возникновение жизни не исключается. Порой просто хорошо видно, как бьют гейзеры, как там вода испаряется, — это происходит, например, на Европе и Энцеладе. Поскольку там действуют мощные приливные силы планет-гигантов, Юпитера и Сатурна, внутренности спутников начинают нагреваться. Раз идет пар — значит, там есть тепло, есть энергия. А если заработает внутри какой-то вулкан, то тоже выделятся газы. В принципе, считается, что в этих местах тоже может быть жизнь.

— Называют еще Титан, но там, если жизнь и может развиться, то, видимо, какого-то иного, не земного типа, на другой основе?

— Да, там органики на самом деле много, и у того же Ральфа Кайзера, руководителя нашего гранта, имеется масса работ по Титану. Там в том числе наблюдались облака желтого цвета, состоящие из какой-то органики. Но не надо забывать и про экзопланеты. В скором времени появятся новые данные по спектрам излучения и поглощения атмосфер, можно будет выяснить, есть ли там вода, есть ли кислород, озон. Если все это есть и температура соответствующая, то может возникнуть жизнь. Вот и в атмосфере Венеры есть углекислый газ CO2, он диссоциирует, появляется кислород, там обнаружены «маркеры жизни» — спектральные линии газа фосфина, но все это, конечно, еще нуждается в подтверждении.

У Ральфа Кайзера есть работы про возможность жизни иного типа — когда вместо углерода используется кремний, то есть жизнь, возможно, способна развиться и на основе кремния.

Он изучает подобные соединения, берет и смотрит, как образуются соответствующие молекулы, каковы их свойства, как они реагируют друг с другом. Таблица Менделеева, конечно, большая, но все это работает не со всеми элементами. По богатству соединений, которые может обеспечить углерод, с ним на самом деле не может соревноваться даже кремний.

— Но ведь идея мегагранта прежде всего в международном сотрудничестве? А не будет ли сейчас проблем, в том числе с оборудованием?

— Все так. Но вместе можно сделать очень много хороших вещей, зная потенциал друг друга. Тем более, что уже было потрачено на все это немало усилий. Был потрачен год, и бросать это дело не в чьих интересах. Сложности, конечно, появились, не без этого, и они не только у нас, они у всех ученых. Научное оборудование изготавливается в разных странах, много делается в Китае, а много — в Европе, здесь всюду интернациональная работа — кто-то делает хорошо одно, кто-то — другое. Самодостаточных стран нет.

— В 2030 году в России планируется запустить очередную космическую обсерваторию, на этот раз работающую в миллиметровом и инфракрасном диапазонах, «Миллиметрон». Он поможет искать новые сложные молекулы?

— Да, он должен позволить регистрировать спектры в миллиметровом диапазоне, но это лишь одна из его задач. На самом деле, он решает еще более фундаментальные задачи, но в принципе, если его настроить на нужный диапазон, то он позволяет и наши задачи решать. Скорее всего, так и будет, когда его все-таки запустят.

Авторы:
Максим Борисов
Павел Котляр

https://www.gazeta.ru/science/2022/03/31/14684437.shtml

Одним из центральных событий проходящей в «Экспоцентре» выставки «Фотоника. Мир лазеров и оптики-2022» стал X Конгресс Технологической платформы РФ «Фотоника».

Организованные в рамках конгресса мероприятия предоставили специалистам уникальную возможность продемонстрировать свои новые разработки, обменяться идеями и практическим опытом, познакомиться с тенденциями и перспективами развития лазерного рынка.

Модератор конгресса, президент Лазерной ассоциации Иван Ковш дал определение Технологической платформы, отметив, что ТП – это объединение науки и бизнеса во имя того, чтобы развивать отрасль во взаимных интересах бизнеса и государства.

Сегодня состоялось пленарное заседание, посвященное 100-летию со дня рождения Николая Геннадиевича Басова. Идея создания Технологической платформы – более полное и быстрое использование лазера в экономике – принадлежит именно этому ученому. Многое, что он предложил, сегодня работает.

Заседание началось с вручения дипломов победителям конкурса лучших разработок в области лазерной и оптоэлектронной техники, выведенных на рынок последние два года.

Теме «Н.Г. Басов – пионер и организатор лазерных исследований в СССР» посвятил свое выступление профессор, доктор физико-математических наук, ведущий сотрудник Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) Иосиф Зубарев. Спикер дал высокую оценку деятельности ученого и подробно остановился на его разработках. «Николай Басов в 1952 году сформулировал идею использования принципов усиления и генерации электромагнитного излучения квантовыми системами. Он обладал фантастическим даром научного предвидения и исключительной смелостью, предвидел, что лазеры найдут широкое применение во всех сферах человеческой деятельности. Николай Геннадиевич подготовил первую в СССР комплексную программу по созданию лазеров», – отметил докладчик.

На пленарном заседании конгресса вызвала интерес презентация квантовых стандартов частоты и времени. Владимир Величанский, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ФИАН подробно описал суть самого явления, привел конкретные примеры и объяснил, для чего нужны квантовые стандарты частоты и времени.

С презентации «Лазерный термоядерный синтез: от идеи до сегодняшних дней» выступил профессор, доктор физико-математических наук Сергей Гуськов (ФИАН). Он рассказал о развитии данного научного направления, которое также предложил Н.Г. Басов.

Фотонике в высокотехнологичной медицине посвятила свой доклад доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник ФИАН Ирина Завестовская.

В рамках X Конгресса ТП РФ «Фотоника» прошла научно-практическая конференция «Фотоника в сельском хозяйстве и природопользовании».

Александр Аксенов, доцент кафедры Федерального научного агроинженерного центра ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) выступил с докладом на тему «Спектральные и лазерные технологии для диагностики физиологического состояния биологических объектов». Он, в частности, подчеркнул, что в последнее десятилетие в сельском хозяйстве наметился такой тренд, как умное земледелие, когда технологии направлены на то, чтобы экономить ресурсы и получать максимально возможный урожай при требуемом качестве с минимальными вложениями.

Большой интерес у аудитории вызвали доклады участников конференции, которые рассказали об агробиофотонике как одном из трендов в растениеводстве, его перспективах и направлениях, о влиянии спектрального состава света на продуктивность растений при выращивании в закрытых агроэкостистемах, о новых химических датчиках на основе объединения биотехнологических, акустоэлектронных и оптоэлектронных подходов. Докладчики говорили о комплексных научных исследованиях и разработках для создания и развития круглогодичного производства растительной органической продукции в управляемых экосистемах, о фотонике и системах искусственного интеллекта в решении агроэкологических задач.

Пресс-служба АО «Экспоцентр»

https://promvest.info/ru/post-relizyi-vyistavok/na-x-kongresse-tp-rf-fotonika-ekspertyi-obsudili-perspektivnyie-tehnologii-v-klyuchevyih-otraslyah-proizvodstva/

Производством российских магнитно-резонансных томографов на основе разработки ученых Физического института им. П.Н. Лебедева РАН займется ведущий отечественный производитель медицинской техники – холдинг «Швабе» госкорпорации Ростех. Об этом на заседании президиума РАН 29 марта сообщил заведующий отделением физики твердого тела Физического института им. П. Н. Лебедева РАН Евгений Демихов. Он уточнил, что накануне состоялось первое совместное заседание, на котором была принята дорожная карта проекта «Создание производства высокопольного отечественного МРТ 1,5 Тл».

О сути предложенного разработчиками «технологического прорыва», а также возможностях запуска серийного производства представитель ФИАН подробно рассказал на минувшей неделе в ходе открытого заседания научного совета РАН «Науки о жизни». В ходе заседания президиума он также сообщил дополнительные подробности, касающиеся уникальной разработки института – безгелиевого МРТ, который примерно на 30% дешевле гелиевого и способен в течение 5 лет работать на одной заправке (замена криорефрижератора – т.н. «холодной головы – производится на работающем аппарате). Спикер также подчеркнул, что одним из достижений является использование отечественного программного обеспечения.

«Весь магнит мы делаем сами из нашего российского провода, который производится в Глазове. Это нам позволяет больше половины стоимости прибора производить в России. У нас собственное программное обеспечение и полная защита от внешних попыток проникновения. Дело в том, что все томографы, которые стоят у нас в клиниках, подсоединены к производителю через интернет, и производитель имеет возможность считать любую томограмму… Поэтому мы предприняли определенные усилия для того, чтобы перейти к информационной безопасности в этом случае», – рассказал Евгений Демихов.

В ФИАН уже создана своя лабораторная производственная линия – производительность ее невысока, но достаточна для проведения дальнейших экспериментов по двум основным направлениям. Это, во-первых, томографы на новом типе провода MgB2 (позволяет работать при более высоких температурах и дополнительно снижает цену) и, во-вторых, малогелиевые аппараты (6 л гелия). Томографы на 70% состоят из отечественных комплектующих, оставшуюся часть готовы заместить предприятия оборонного комплекса.

«Очень удачная кооперация у нас возникла с воронежскими предприятиями оборонной промышленности, которые часть недостающих блоков готовы взять на себя и уже взяли. Мы их протестировали, они вполне удовлетворяют нашим требованиям. Это приемно-передающие катушки, градиентный усилитель, градиентный модуль, а это очень важные дорогостоящие изделия. Для того, чтобы все это у нас работало, нам, конечно, надо использовать очень быстрые схемы, снижать зависимость от бюрократии, чтобы как можно быстрее выйти на те объемы, которые мы здесь называем».

По словам ученого, сейчас особенно актуальной становится выработка юридически «продвинутой» и удобной системы взаимодействия между разработчиком и производителем (передача прав на разработку, опытных образцов, технологии и оборудования и т.д.).

Заместитель генерального директора концерна «Швабе» Сергей Дмитроченко назвал проект амбициозным, и отметил, что под научно-методическим руководством РАН, не только в ФИАН, но и в других институтах за многие годы созданы перспективные разработки, которые могут быть запущены в производство. При этом он подчеркнул важность обратной связи с потребностями практической медицины.

«Очень важная составляющая – это взаимодействие с медицинским сообществом, потому что мы все вместе должны делать то, что необходимо врачам, а не то, что мы можем сделать. Поэтому предлагаю объединить и сконцентрировать усилия именно в этой плоскости. И тогда у нас появится качественное и диагностическое, и хирургическое медицинское оборудование».

Уже достигнута договоренность, что образец российского томографа будет установлен в ФГБНУ «Научный центр неврологии» - центр выступит в качестве медицинского соисполнителя проекта. Ранее там были проведены обширные испытания разработанного в ФИАН программного обеспечения для МРТ и получено положительное заключение. При этом директор центра академик РАН Михаил Пирадов напомнил, что появление отечественного МРТ – это важная задача не только с точки зрения медицины:

«Сейчас с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии возможно осуществлять отбор операторов атомных станций, аэропортов, крупных транспортных узлов. С помощью МРТ возможно улучшать память, делая определенные манипуляции, совмещая данную установку с транскраниальной магнитной стимуляцией. Можно делать еще огромное количество вещей, связанных с обороноспособностью нашей страны, я имею в виду технологии двойного назначения, такие как подготовка снайперов. Я не буду дальше продолжать, но поверьте, что для нашей страны МРТ – это не дополнительный диагностический инструмент, это принципиальная позиция, которую необходимо иметь».

Директор департамента науки и инновационного развития здравоохранения Минздрава РФ Игорь Коробко назвал появление у проекта потенциального индустриального партнера в лице Ростеха «крайне позитивным результатом». Он рассказал, что для выявление критически важных незамещаемых медицинских изделий и потребностей в медизделиях конкретных кодов и видов уже сформировано 20 рабочих групп по различным областям медицины, в их составе – профильные главные внештатные специалисты министерства, представители Минпромторга, Росздравнадзора и эксперты ФГБУ «Национальный институт качества». Рабочие группы также будут изучать взаимозаменяемость медизделий, анализировать рынок, давать рекомендации промышленности.

«В последнем вопросе РАН может и должна играть свою роль, проводя инвентаризацию имеющихся разработок высокой степени готовности, востребованных системой здравоохранения, и приоретизировать такие разработки, имеющие весомый задел, в том числе, в рамках экспертиз проектов научных тематик и стимулируя развитие соответствующих научных направлений. При этом мы говорим о прикладных исследованиях, но нельзя забывать и о фундаментальных, иначе мы через какое-то время безнадежно отстанем».

По мнению представителя Минздрава РФ, в рамках сотрудничества по федеральному проекту «Медицинская наука для человека» необходимо создать экосистему, в которой разработки ученых будут видны индустриальным партнерам и которая должна помогать транслировать их в практику, выстраивать стратегии патентной защиты, коммерциализации, управления результатами интеллектуальной деятельности.

Советник генерального директора по стратегическому направлению «Русатом Хэлскеа» госкорпорации Росатом Владимир Емельянов также согласился, что при реализации обсуждаемых масштабных задач в области импортозамещения медоборудования «Российская академия наук смогла бы выступать интегратором и свести все компетенции разных предприятий, и Росатома, и Ростеха».

Представитель компании рассказал о проекте по локализации производства томографов и другого высокотехнологичного медицинского оборудования, которые «Русатом Хэлскеа» уже сейчас осуществляет в рамках контракта с GE Healthcare на площадке Научно-исследовательского института технической физики и автоматизации (АО «НИИТФА») в Москве.

«GE не отказывались поставлять нам комплектующие. Но, помимо этого, у нас, конечно, есть задел на будущее, и мы знаем, что и GE, и Philips, и Siemens – они получают катушки комплектующие у китайских производителей, где уже технологии эти созданы. Поэтому так или иначе мы можем с нуля создавать, но можем, с другой стороны, воспользоваться и той технологией, которая уже есть», - высказал мнение представитель Росатома.

Владимир Емельянов подтвердил, что проект ФИАН интересен, и в случае предоставления технической документации с учетом уже имеющихся наработок и технологий, которые компания планирует перенести с GE Healthcare, проект может быть реализован быстрее.

Президент РАН Александр Сергеев при этом напомнил, что единственным отечественным производителем упомянутого в контексте перспективных разработок ФИАН провода MgB2 является головная организация Росатома по проблемам материаловедения – Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А. А. Бочвара (ВНИИНМ). «Было бы важно это сотрудничество выстраивать, потому что если мы пойдем по этому пути, там надо просто будет масштабировать это производство для нового магнита, которое принципиально для безгелиевых томографов», - подчеркнул глава РАН.

http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=cf589cba-1ca6-4c33-8e06-c1f94516841d#content

ФИАН

Полициклические ароматические углеводороды могут образовываться в результате радикально-радикальных реакций при экстремально низких температурах — в том числе в космическом пространстве, выяснили ученые из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) вместе с коллегами из США. Это еще один аргумент в пользу гипотезы, что органические молекулы, необходимые для зарождения жизни, широко распространены во Вселенной, а значит живые организмы могут возникнуть во многих уголках космоса. Статья о результатах эксперимента опубликована в журнале Nature Communications.

«Сто лет назад и даже меньше мы считали космос безжизненным, думали, что в космическом пространстве есть только атомы и простые молекулы: вода, углекислый газ, кремниевая или углеродная пыль. Все это находится в экстремальных условиях: жуткий холод и губительное космическое излучение или, наоборот, высокие температуры и давления в недрах Звезд и их окружениях. Казалось, что в таких условиях нет условий для появления сложных органических молекул, а жизнь может зародиться только в “тихой гавани”, в узкой зоне обитаемости, в которую попала Земля. Однако теперь мы знаем, что во Вселенной есть множество сложных органических соединений — первых “кирпичиков” органической жизни, которые способны дать старт развитию жизни во многих уголках там, где есть условия для его развития и поддержания», — говорит соавтор исследования доктор физико-математических наук Валерий Азязов, заместитель руководителя Центра лабораторной астрофизики ФИАН.

Чтобы выяснить возможные пути появления органики в космосе, в ФИАНе на средства мегагранта Минобрнауки РФ был создан Центр лабораторной астрофизики под руководством профессора Гавайского университета в Маноа Ральфа Кайзера.

В числе задач центра был поиск путей синтеза полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) — так называют класс соединений, в структуре которых есть спаянные бензольные кольца. Простейший ПАУ – бензол – содержит только одно такое кольцо.

Интерес к синтезу этих соединений первоначально был вызван тем, что ПАУ в большинстве являются канцерогенами, то есть провоцируют рак. Впервые на них обратили внимание из-за карциномы трубочистов, которую провоцировала сажа, представляющая собой смесь разнородных ПАУ.

В земных условиях ПАУ синтезируются при высокой температуре, например, при горении топлива в камерах сгорания двигателей или во время пожаров. Однако этих веществ много и в космосе: оценки показывают, что около 20 процентов углерода во Вселенной находится в составе ПАУ. Ученые обнаруживают их, анализируя спектры инфракрасного излучения от относительно холодных объектов — молекулярно-пылевых облаков и туманностей, где идут процессы звездообразования. Кроме того, ПАУ были обнаружены на комете Чурюмова-Герасименко с помощью космической станции «Розетта». Эти же соединения обнаруживают в составе метеоритов с большим содержанием углерода — хондритов.

Реакций образования ПАУ множество. Ученые шаг за шагом раскрывают реакционные пути их образования с использованием сложных квантово-механических моделей и проводят эксперименты в условиях максимально приближенных к условиям глубокого космоса. Радикально-радикальные реакции — это реакции с участием радикалов, которые образуются в результате разрыва химической связи молекул за счет высокой температуры, излучения, облучения и так далее. Например, при горении первичные радикалы образуются за счет высокой температуры.

В глубоком космосе же, наоборот, крайне низкие температуры. Поэтому ученые предполагают, что там радикалы образуются за счет воздействия галактических космических лучей. Высокоэнергетические частицы на пути своего распространения образуют во льду узкий след, в котором одномоментно зарождаются сотни и тысячи возбужденных молекул, атомов, ионов, осколки молекул и вторичные электроны. Все они начинают реагировать как между собой, так и с окружением, образуя различные продукты, в том числе сложные органические молекулы.

Ученые ФИАН со своими коллегами из США провели квантово-химические вычисления и эксперимент, в котором сталкивали между собой бензильные радикалы в лабораторных условиях. В продуктах реакций они выделили ПАУ, которые образовались в результате радикально-радикальной реакции.

«Число реакций, задействованных в образовании ПАУ, достаточно велико и сейчас изучена только незначительная часть из них — только самые простые. Реакция, которую мы изучили, интересна тем, что в ней участвуют два больших циклических бензильных радикала, в продуктах которых экспериментально обнаружено трициклическое соединение антрацен (C₁₄H₁₀). Ранее его образование не объяснялось другими механизмами реакций. В работе предложен новый, ранее неизвестный путь образования молекулы антрацена через динамику возбужденного состояния на триплетной поверхности посредством циклоприсоединения, который представляет собой фундаментальный сдвиг в современной парадигме синтеза многокольцевых структур в газовой фазе, расширяя наше понимание происхождения и эволюции углеродистого вещества во Вселенной», — рассказывает Валерий Азязов.

Химическая модель Вселенной далека от завершения. Имеющиеся базы по физико-химическим константам процессов в космосе требуют заполнения их детальными механизмами реакций. Над этим будет работать не одно поколение ученых, прежде чем мы будем достаточно точно объяснять и предсказывать химическую эволюцию Вселенной.

Автор: Николай Подорванюк

https://indicator.ru/chemistry-and-materials/fiziki-vyyasnili-kak-slozhnye-organicheskie-molekuly-mogut-obrazovyvatsya-v-kosmose-29-03-2022.htm

Российские и американские физики раскрыли механизм, позволяющий сложным непредельным ароматическим углеводородам формироваться при почти полном отсутствии света и тепла в пустоте межзвездного пространства. Это свидетельствует в пользу гипотезы об образовании "кирпичиков жизни" в космосе, сообщила во вторник пресс-служба Физического института РАН (ФИАН).

"Сто лет назад мы считали космос безжизненным пространством и думали, что в нем есть только атомы и простые молекулы. Теперь мы знаем, что во Вселенной есть множество сложных органических соединений, первых "кирпичиков жизни", которые способны дать старт развитию жизни там, где есть подходящие для этого условия", - заявил заместитель руководителя Центра лабораторной астрофизики ФИАН Валерий Азязов, чьи слова приводит пресс-служба института.

До недавнего времени астрономы предполагали, что органические соединения крайне редко встречаются в Галактике и во Вселенной в целом. Когда ученые впервые детально изучили "зародыши" звезд и облака межзвездного газа, они обнаружили, что это не так. Оказалось, что они содержат в себе огромные количества простейших углеводородов, спиртов, сахаров и аминокислот. Их следы были позже найдены даже в очень далеких от нас галактиках.

Азязов и его коллеги заинтересовались тем, как возникают в пустоте космоса сложные органические соединения из класса полициклических ароматических углеводородов. Их молекулы были обнаружены в материи кометы Чурюмова-Герасименко, а также в множестве холодных облаков газа, что заставило ученых задуматься о том, как могли формироваться эти вещества, синтезируемые на Земле при высоких температурах.

Формирование "кирпичиков жизни"

Свои усилия физики сосредоточили на молекулах антрацена, состоящих из 14 атомов углерода и десяти атомов водорода, объединенных в три соединенных друг с другом кольца. Как предполагают ученые, антрацен возникает в космосе в больших количествах в результате слияния двух молекул бензил-радикалов, состоящих из семи атомов углерода и водорода, однако точные механизмы их превращения в антрацен до настоящего времени были не известны ученым.

Российские и зарубежные физики детально просчитали поведение данных веществ на квантовом уровне и провели серию экспериментов с этими веществами. Это позволило им выделить сложную цепочку реакций с участием двух молекул бензил-радикала, которая приводит к появлению антрацена даже при низких температурах окружающей среды и при минимальном облучении участвующих в реакции молекул.

Подобные реакции, как отмечают Азязов и его коллеги, раньше не предсказывались и не изучались их коллегами-химиками, так как ученые не считали, что бензил-радикал может вступать во взаимодействия, которые приводят к реорганизации фактически всей его молекулы. Опыты и расчеты российских и зарубежных исследователей показали, что подобные реакции происходят на практике, что объясняет существование больших количеств антрацена в космосе.

Эти же реакции, как предполагают ученые, можно использовать и на Земле, для упрощения и удешевления производства различных органических химикатов на базе ароматических углеводородов, широко используемых при производстве красителей, пластмасс и других важных расходных материалов.

https://nauka.tass.ru/nauka/14215401

Внеочередное заседание Научного совета РАН «Науки о жизни», посвященное вопросам импортозамещения в медицине в условиях санкций, вел председатель совета, вице-президент РАН Владимир Чехонин. Он не стал скрывать, что трансляция результатов фундаментальных исследований в инновационные медицинские технологии – тема, достаточно болезненная для российской науки: «Процесс трансляции идет не совсем в том направлении и не так активно, как бы этого хотелось». Площадка РАН, по его словам, сегодня является наиболее перспективной для консолидации представителей различных наук с целью создания платформы, способствующей активной и эффективной передаче достижений фундаментальной науки в практическую деятельность.

На заседание были приглашены ученые, клиницисты-практики, разработчики медицинской техники, представители бизнеса, руководители Департамента здравоохранения Правительства РФ, замминистра здравоохранения и другие. Самое активное участие в работе совета принял президент РАН Александр Сергеев.

“В последние две недели мы очень активно работаем с правительством, встречаемся с руководителями корпораций, – сообщил он, открывая заседание. – Понимание проблемы есть и у органов государственной власти, и у производителей. Крупные компании и корпорации берутся организовать производство достаточно быстро. Сегодня пойдет разговор о том, насколько готовы поддержать создание инновационных ретрансляционных цепочек ученые. Иными словами, что уже может быть предложено для внедрения в производство”.

Проект, связанный с созданием российского магнитно-резонансного томографа для высокоточной медицинской диагностики, представил доктор физико-математических наук заведующий криогенным отделом Физического института им. П.Н. Лебедева (ФИАН) РАН Евгений Демихов.

“Новый томограф позволяет не только разрешить проблему импортозамещения, но также обладает высоким импортным потенциалом, – отметил докладчик. – Все готово для начала работ по организации полномасштабного производства”.

Ученый рассказал, что созданный в ФИАН первый в России высокопольный сверхпроводящий МРТ с полем 1,5 Тл дает снимки с разрешением 0,5 мм («а при использовании некоторых компьютерных трюков можно добиться и 0,4 мм»), то есть позволяет диагностировать мельчайшие патологии. Технологии и программное обеспечение разработаны также в ФИАН. Идея была оригинальная для мировой науки – создать высокоэкономичный безгелиевый (безжидкостный) МРТ. Он на 30% дешевле существующих.

Что дальше? Требуется провести модернизацию технологии и опытных образцов («это процесс непрерывный, призванный сохранять их конкурентоспособность», пояснил докладчик). Чтобы производство было рентабельно, нужно производить в год 60 томографов. Целевой показатель – 100 штук. Срок выполнения работ по созданию полномасштабного коммерческого производства – 5 лет при инвестициях 4,5 миллиарда рублей. При этом будут созданы 200 высокотехнологичных рабочих мест. «На данный момент таких сотрудников у нас нет, – признал Евгений Демихов. – Вузы выпускают других специалистов, нам приходится их переучивать. Хотелось бы иметь более тесные контакты с университетами, которые целевым образом готовили бы специалистов под конкретное производство».

Комплектующие для российских МРТ – на 70% отечественного происхождения. Оставшиеся 30% готовы заполнить смежники, с которыми работают ученые, «Получить 100% российской комплектации на данный момент практически нереально, надо будет выкручиваться, но через два-три года целенаправленной работы в этом направлении можно будет приблизиться к этой цифре», – предполагает ученый.

Докладчик предложил ввести статус «работа государственной важности» для создания продуктов, подобных отечественному МРТ. Это облегчило бы и их разработку, и переход к производству. Еще одна проблема связана с необходимостью «грамотно передать права на разработку, опытные образцы, технологии и оборудование предприятию-производителю». В обсуждении Александр Сергеев высказал предположение, что наиболее эффективно было бы получить разрешение научным институтам на вхождение в совместные предприятия с промышленностью. «Это кардинально бы изменило ситуацию», – согласился ученый.
На заседании также была подробно рассмотрена тема производства приборов и комплексов для молекулярно-генетического анализа.

“Мы наблюдаем стремительный рост генетических исследований в мире, – отметил и. о. директора Института аналитического приборостроения (ИАП) РАН Анатолий Евстрапов. – На международном рынке генетических технологий Россия занимает только 1%, и в основном эти технологии ориентированы на внутренний рынок”.

Для понимания масштабов задачи докладчик привел таблицу, из которой следовало, что в целом в 2020 году были закуплены 88 секвенаторов (из них российских – 34), в 2021-м – 116 (из них 35 – российские). Секвенаторы третьего поколения сейчас производятся только в США и Великобритании.

С целью оперативной разработки и ускоренного внедрения новых приборов и комплексов для молекулярно-генетического анализа в серийное производство в 2020 году был создан консорциум «Российские генетические технологии», куда вошли ИАП РАН, научно-производственная фирма «Синтол» и Экспериментальный завод научного приборостроения в Черноголовке. В институте разрабатываются приборы и методы, «Синтол» выпускает реагенты и тест-системы, экспериментальный завод серийно производит приборы. Уже есть опытные образцы секвенатора второго поколения, консорциум готов к выполнению госзаказа на изготовление серии таких приборов. Сейчас ученые работают над одномолекулярным секвенатором третьего поколения. Однако для развития всех этих технологий необходимо государственное финансирование. Другие насущные нужды – привлечение новых квалифицированных молодых специалистов, развитие инфраструктуры института (сегодня часть площадей он арендует у других организаций), оснащение новым научным и технологическим оборудованием.

Разработки в области медицинской робототехники для хирургии представил ректор Московского государственного медико-стоматологического университета им. А.И. Евдокимова академик Олег Янушевич. Он рассказал о роботизации в стоматологии и нейрохирургии позвоночника, фотодинамической терапии и флуоресцентной диагностике опухолей труднодоступных локализаций с использованием роботических и навигационных технологий. В заключение назвал три проблемных момента: «Это деньги – инвестиции государственные или частные, коллаборация между вузами и НИИ и ускорение сертификации, доведение результатов до практики». Владимир Чехонин попросил докладчика составить и прислать список технологий, которые наиболее остро испытывают сейчас трудности вследствие своей зависимости от импорта. Оказалось, такой список уже готов.

Тему роботохирургии продолжили другие выступающие. Заключительным стал доклад директора Федерального центра мозга и нейротехнологий профессора РАН Всеволода Белоусова, посвященный состоянию и перспективам развития технологий сфокусированного ультразвука в медицине.

“Мы рассмотрели только четыре направления, и по всем из них увидели серьезный задел, на уровне, востребованном рынком, – заключил Александр Сергеев. – Более того, у наших институтов есть решения, позволяющие заглядывать в завтрашний и даже в послезавтрашний. Очень хорошо, что создатели разработок не только говорят об импортозамещении, но и готовы выйти на международные рынки”.

Подчеркнув, что многие выступавшие затрагивали важную проблему подготовки кадров, президент РАН предложил поставить перед Минобрнауки вопрос о поддержке инженерных школ в области современной медицинской техники. И пообещал, что подобные обсуждения будут продолжены.

Наталия Булгакова

https://poisknews.ru/themes/medicine/reakcziya-zameshheniya-ran-mobilizuet-sily-dlya-sozdaniya-novejshej-mediczinskoj-tehniki

24 марта 1891 г. родился Сергей Иванович Вавилов – физик, основатель научной школы физической оптики в СССР, первый директор ФИАН, академик, президент АН СССР, общественный деятель и популяризатор науки. Был награжден двумя орденами Ленина (1943, 1945), орденом Трудового Красного Знамени (1939), четырежды лауреат Сталинской премии (1943, 1946, 1951, 1952 – посмертно). Дважды был номинирован на Нобелевскую премию (в 1957 и 1958 годах).

Еще первокурсником С.И. Вавилов стал завсегдатаем лабораторий Физического института. Со 2-го курса он приступил к самостоятельной исследовательской работе. События 1910–1911 гг. послужили причиной тому, что С.И. Вавилов перенес исследовательскую работу из университетских лабораторий в частную лабораторию – «лебедевский подвал» дома №20 по Мертвому переулку, а также в лабораторию городского Народного университета А.Л. Шанявского, тоже возглавляемую П.Н. Лебедевым, при ближайшем участии П.П. Лазарева. Научная школа П.Н. Лебедева сыграла решающую роль в становлении ученого. Из этой же лаборатории вышли первые печатные работы С.И. Вавилова, посвященные фотометрии, – «Фотометрия разноцветных источников» и «К кинетике термического выцветания красок».

Окончив университет в 1914 году по специальности «физика» с дипломом первой степени, Сергей Вавилов получил предложение остаться при университете для подготовки к профессорскому званию, однако выпускник отклонил его.

Позднее он писал: «… В знак протеста против новых университетских порядков я и некоторые мои товарищи отказались по окончании университета в 1914 г. остаться при кафедре, т. е., по современной терминологии, сделаться аспирантами. По тогдашним законам это значило, что после окончания университета необходимо было поступать на военную службу».

В июле 1914 года Вавилов поступил вольноопределяющимся в 25-й саперный батальон Московского военного округа.

Запись в дневнике от 28 июля 1914 г.: «Завтра ровно месяц, как началось для меня совершенно новое, неожиданное и трагическое, о чем я никогда не думал. Я не только солдат, но я иду на войну – в том, в сущности, и все, но как тут много. Начну с того, что перед отъездом я это предчувствовал. Сбросил штиблеты, надел сапоги, было тяжело расстаться с книгами и физикой. Впрочем, в моем чемодане Казанова, фотохимия».

На протяжении Первой мировой войны Сергей Иванович служил вначале рядовым, затем прапорщиком в различных технических частях российской армии. На фронте закончил экспериментально-теоретическую работу «Частота колебаний нагруженной антенны». Демобилизовался в феврале 1918 года.

Научные интересы С.И. Вавилова с самого начала его исследований были связаны с изучением оптических явлений, эффектов взаимодействия света с веществом. Он сам говорил о своей работе то ли в шутку, то ли всерьез: «Свет – мое призвание».

В 1926 г. С.И. Вавилов совместно с В.Л. Левшиным впервые наблюдал отступление от закона Бугера – уменьшение поглощения света в урановом стекле, связанное с большим избытком в среде возбужденных молекул. В 1950 году Вавилов ввел термин «нелинейная оптика» для описания физических явлений при больших интенсивностях света. Много позднее академик Р.В. Хохлов писал: «Хорошо известно, что С.И. Вавилов – родоначальник нелинейной оптики. Его работа в этой области началась задолго до создания лазеров».

Основной темой исследований С.И. Вавилова, верность которой он сохранил на всю жизнь, была люминесценция. Вавилов и созданная им научная школа внесли выдающийся вклад в изучение явления люминесценции и развитие его применений.

В работах Вавилова 1924 г. было впервые доказано, что поглощаемая в люминофорах энергия может эффективно преобразовываться в энергию света. Энергетический выход свечения для некоторых растворов (флуоресцеин и др.) по измерениям Вавилова достигал 80%, что резко противоречило имеющимся ранее данным, свидетельствующим о малой эффективности люминесценции.

Вавилов впервые ввел понятие «квантового выхода», т.е. отношение числа излученных и поглощенных квантов при люминесценции. В ходе экспериментов он установил, что квантовый выход люминесценции не зависит от длины волны возбуждающего света (закон С.И. Вавилова).

Вместе со своим аспирантом Павлом Черенковым в 1934 году открыл эффект Вавилова - Черенкова, за что последний уже после смерти Вавилова был удостоен Нобелевской премии в 1958 году.

П.А. Черенков позднее напишет: «Это открытие могло осуществиться только в такой научной школе, как школа С.И. Вавилова, где были изучены и определены основные признаки люминесценции и где были разработаны строгие критерии различения люминесценции от других видов излучения. Неслучайно поэтому, что даже в такой крупнейшей школе физиков, как парижская, прошли мимо этого явления, приняв его за обычную люминесценцию».

Вавилов придавал очень большое значение практическому использованию явления люминесценции. В 1940 году по инициативе Вавилова начались исследования, направленные на создание новых для того времени источников света: люминесцентных ламп. Под его руководством работы продолжились в трех научных организациях: в Физическом институте имени П.Н. Лебедева, Всесоюзном электротехническом институте и Московском электроламповом заводе.

Незадолго до начала войны, 30 мая 1941 года, на Общем собрании Академии наук СССР Сергей Иванович сделал доклад «Люминесцентные источники света», сопроводив его демонстрацией первых образцов люминесцентных ламп. В послевоенные годы при самом активном участии Вавилова началось их широкое промышленное производство.

В 1934 году было принято решение о создании полномасштабного физического института. Новый институт получил название «Физический институт АН СССР» (ФИАН). Вавилов был назначен его директором. Идея создания в Москве современного физического института была высказана еще в 1911 г. известным русским физиком П.Н. Лебедевым, у которого С.И. Вавилов учился в Московском университете. Именно по этой причине С.И. Вавилов в память о своем учителе ходатайствовал о присвоении ФИАНу имени П.Н. Лебедева.

На посту директора ФИАН С.И. Вавилов оставался до конца своей жизни (январь 1951 г.). Вавилов создал этот институт практически с нуля. С самого начала С.И. Вавилов решил придать новому институту «полифизический» характер, т.е. развивать в нем все наиболее значимые направления исследований в современной физике. Вавилов стремился пригласить в ФИАН специалистов самого высокого уровня, ученых, либо получивших образование в европейских университетах, либо имевших длительные стажировки в европейских лабораториях. Представление о ключевых фигурах первичного научного состава ФИАН может дать список фамилий: Л.И. Мандельштам, Н.Д. Папалекси, Г.С. Ландсберг, И.Е. Тамм, Д.В. Скобельцын, В.А. Фок, М.А. Леонтович. С участием приглашенных физиков были сформированы и первые лаборатории ФИАН: оптики (Г.С. Ландсберг), люминесценции (С.И. Вавилов), теории колебаний (Н.Д. Папалекси), атомного ядра и космических лучей (вначале С.И. Вавилов, позднее Д.В. Скобельцын), теоретический отдел (И.Е. Тамм).

Одной из важных задач в своей работе С.И. Вавилов всегда считал популяризаторскую деятельность. Эту работу он продолжал до конца своих дней в течение почти 40 лет, несмотря на все возрастающий груз своих многочисленных организационных и прочих обязанностей. Итог трудов поистине впечатляющий. Ученый является автором более 150 научно-популярных статей и книг. Он использовал все возможности для расширения пропаганды научных и общекультурных знаний в широких слоях населения и стремился привлечь к решению этой задачи большее число людей. Эти возможности увеличились, когда в 1945 году С.И. Вавилов был избран президентом Академии наук СССР. В 1947 г. по предложению группы деятелей науки, литературы и искусства во главе с С.И. Вавиловым было создано Всесоюзное общество по распространению политических и научных знаний (с 1963 г. – Общество «Знание»). Первым председателем правления Общества стал Вавилов. В 1949 году Сергей Иванович занял пост главного редактора второго издания Большой Советской энциклопедии.

Источник информации и фото: отдел по связям с общественностью ФИАН
Разместила Ирина Усик

https://scientificrussia.ru/articles/131-god-so-dna-rozdenia-si-vavilova

Николай Николаевич Колачевский

Загадка зарядового радиуса протона ─ одна из важных проблем физики последнего десятилетия, вызывающая споры как среди экспериментаторов, так и среди теоретиков, которые занимаются расчетами квантовой электродинамики. В чем же дело? Неужели в многочисленные эксперименты ученых по измерению радиуса протона закралась какая-то ошибка... или не точна сама квантовая электродинамика?

Член-корреспондент РАН, директор Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) Николай Колачевский рассказывает о различных методах, позволяющих измерить зарядовый радиус протона, анализирует возникновение самой загадки и делится результатами последних экспериментов, нацеленных на ее разрешение.

ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ:

• К.Ю. Хабарова, Н.Н. Колачевский. Зарядовый радиус протона. Журнал "Успехи физических наук", 2021 г.
• Интервью Н.Н. Колачевского для портала "Научная Россия"
• Протон меньше, чем мы думали. Совместная группа ученых ФИАНа и немецкого Института квантовой оптики общества Макса Планка (MPQ) провела эксперимент, в ходе которого было определено новое значение радиуса протона

Автор Янина Хужина
Фотограф Елена Либрик
Оператор Алексей Корноухов

https://scientificrussia.ru/articles/zagadka-zaradovogo-radiusa-protona-lekcia-cl-korr-ran-nikolaa-kolacevskogo

Российские физики предложили технологию изготовления туннельного контакта для изучения ключевой характеристики углеродной нанотрубки – основы современной микроэлектроники.

Углеродные нанотрубки — это уникальные по своей физической природе и свойствам объекты. Они активно исследуются в последние три десятилетия и могут применяться в различных областях науки и техники: в материаловедении, физике, электронике и многих других.

Углеродную нанотрубку можно рассматривать как свернутый в трубку лист графена. Уникальность свойств углеродных нанотрубок связана с тем, что от того, каким конкретно образом этот лист был свернут в трубку, зависит ширина запрещенной зоны, которая определяет полупроводниковые либо металлические свойства нанотрубки. Можно провести следующую аналогию: представьте себе обычный лист бумаги — его можно легко свернуть в трубку, соединяя либо две противоположные стороны, либо два противоположных угла, или же можно соединить угол с любой точкой на противоположной стороне. Свойства листа бумаги никак не зависят от того, каким конкретно образом его свернули в трубку. Если теперь мы заменим лист бумаги на маленький кусочек графена, то окажется, что в зависимости от того, каким именно способом мы свернули графен в трубку, он будет вести себя либо как полупроводник, либо как металл с точки зрения проводимости. Такое поведение делает углеродные нанотрубки очень привлекательным материалом для создания всевозможных электронных устройств.

Ширина запрещенной зоны — это основная характеристика полупроводников, которая в первую очередь обусловливает возможности их применения. На данном этапе развития технологий пока не придуман хороший способ выращивать углеродные нанотрубки с заранее известной шириной запрещенной зоны. В процессе синтеза могут вырастать углеродные нанотрубки с различной шириной запрещенной зоны и даже вообще без нее. Чтобы определять ширину запрещенной зоны и конкретный вид распределения электронов по энергии, для каждой отдельной трубки традиционно использовалась туннельная спектроскопия при помощи туннельного микроскопа. Этот метод имеет ряд недостатков, он неточный, дорогой и нетехнологичный.

Рисунок. (а) электронная микрофотография углеродной нанотрубки с туннельными контактами; (b) схема бокового разреза туннельного контакта. Источник: Applied Physics Letters

В опубликованной работе ученые предложили технологичный (то есть хорошо совместимый с современными технологиями изготовления электронных устройств) и масштабируемый метод для определения спектра электронов одиночной углеродной нанотрубки. Для этого исследователи изготовили туннельный контакт (рисунок (а)). Туннельный контакт — это контакт с очень высоким электрическим сопротивлением. Металл контакта не напрямую связан с трубкой, а через тонкий слой диэлектрика  (рисунок (b)).

«Диэлектрик создает туннельный барьер — энергетическую стену, которая препятствует переносу носителей заряда. Классическая частица не может преодолеть такой барьер, но квантовая механика позволяет электрону проводимости или дырке пройти сквозь такой барьер, то есть протуннелировать. Важно, что вероятность туннелирования пропорциональна плотности состояний в исследуемом объекте. Благодаря этому свойству туннельный контакт позволяет сканировать распределение электронов по энергии в трубке», — комментирует один из авторов исследования Яков Матюшкин, младший научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ, аспирант ВШЭ.

Исследователи сделали серию образцов, каждый из которых представлял собой одиночную углеродную нанотрубку с двумя парами омических и двумя парами туннельных контактов (рисунок (а)). Ученые сначала вырастили на кремниевой подложке трубку, а затем присоединили к ней туннельные и омические контакты. В ходе эксперимента при температуре жидкого гелия между туннельным и омическим контактом прикладывали напряжение и измеряли электрический ток, который протекал через систему. Зависимость тока от напряжения позволила получить спектр электронов в углеродной нанотрубке и узнать ширину запрещенной зоны.

«Предложенный в работе метод позволяет не только получить информацию о зонной структуре углеродной нанотрубки, но и выяснить, как она меняется под влиянием внешних воздействий. В частности, в данной работе мы при помощи туннельного контакта напрямую наблюдали снятие долинного вырождения в магнитном поле. Этот давно предсказанный эффект, проявляющийся в энергетическом расщеплении максимумов плотности состояний, мы впервые продемонстрировали в случае индивидуальной нанотрубки», — говорит соавтор исследования Георгий Федоров, заместитель заведующего лабораторией наноуглеродных материалов МФТИ.

Образцы были изготовлены сотрудниками лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ на базе ЦКП МФТИ. Экспериментальная часть выполнена в проблемной радиофизической лаборатории Московского педагогического государственного университета и в ЦКП ФИАН «Исследования сильно-коррелированных систем».

Результаты работы представлены в журнале Applied Physics Letters.

Татьяна Небольсина

https://open-dubna.ru/nauka/16478-svojstva-uglerodnoj-nanotrubki-nauchilis-izuchat-s-pomoshch-yu-tunnel-nogo-kontakta

Российские физики показали, что можно использовать туннельный контакт для спектроскопии электронных состояний углеродных нанотрубок. Предложенная технология изготовления туннельного контакта и метод спектроскопии помогут точно определять ширину запрещенной зоны нанотрубок, которая является ключевой характеристикой для разработки любых электронных устройств на их основе. Результаты работы были представлены в журнале Applied Physics Letters.

Углеродные нанотрубки — это уникальные по своей физической природе и свойствам объекты. Они активно исследуются в последние три десятилетия и могут применяться в различных областях науки и техники: в материаловедении, физике, электронике и многих других.

Углеродную нанотрубку можно рассматривать как свернутый в трубку лист графена. Уникальность свойств углеродных нанотрубок связана с тем, что от того, каким конкретно образом этот лист был свернут в трубку, зависит ширина запрещенной зоны, которая определяет полупроводниковые либо металлические свойства нанотрубки. Можно провести следующую аналогию: представьте себе обычный лист бумаги — его можно легко свернуть в трубку, соединяя либо две противоположные стороны, либо два противоположных угла, или же можно соединить угол с любой точкой на противоположной стороне. Свойства листа бумаги никак не зависят от того, каким конкретно образом его свернули в трубку. Если теперь мы заменим лист бумаги на маленький кусочек графена, то окажется, что в зависимости от того, каким именно способом мы свернули графен в трубку, он будет вести себя либо как полупроводник, либо как металл с точки зрения проводимости. Такое поведение делает углеродные нанотрубки очень привлекательным материалом для создания всевозможных электронных устройств.

Ширина запрещенной зоны — это основная характеристика полупроводников, которая в первую очередь обусловливает возможности их применения. На данном этапе развития технологий пока не придуман хороший способ выращивать углеродные нанотрубки с заранее известной шириной запрещенной зоны. В процессе синтеза могут вырастать углеродные нанотрубки с различной шириной запрещенной зоны и даже вообще без нее. Чтобы определять ширину запрещенной зоны и конкретный вид распределения электронов по энергии, для каждой отдельной трубки традиционно использовалась туннельная спектроскопия при помощи туннельного микроскопа. Этот метод имеет ряд недостатков, он неточный, дорогой и нетехнологичный.

Рисунок. (а) электронная микрофотография углеродной нанотрубки с туннельными контактами; (b) схема бокового разреза туннельного контакта. Источник: Applied Physics Letters

В опубликованной работе ученые предложили технологичный (то есть хорошо совместимый с современными технологиями изготовления электронных устройств) и масштабируемый метод для определения спектра электронов одиночной углеродной нанотрубки. Для этого исследователи изготовили туннельный контакт (см. рисунок (а)). Туннельный контакт — это контакт с очень высоким электрическим сопротивлением. Металл контакта не напрямую связан с трубкой, а через тонкий слой диэлектрика  (см. рисунок (b)).

«Диэлектрик создает туннельный барьер — энергетическую стену, которая препятствует переносу носителей заряда. “Классическая” частица не может преодолеть такой барьер, но квантовая механика “позволяет” электрону проводимости или дырке пройти сквозь такой барьер, то есть протуннелировать. Важно, что вероятность туннелирования пропорциональна плотности состояний в исследуемом объекте. Благодаря этому свойству туннельный контакт позволяет сканировать распределение электронов по энергии в трубке», — комментирует один из авторов исследования Яков Матюшкин, младший научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ, аспирант ВШЭ.

Исследователи сделали серию образцов, каждый из которых представлял собой одиночную углеродную нанотрубку с двумя парами омических и двумя парами туннельных контактов (см. рисунок (а)). Ученые сначала вырастили на кремниевой подложке трубку, а затем присоединили к ней туннельные и омические контакты. В ходе эксперимента при температуре жидкого гелия между туннельным и омическим контактом прикладывали напряжение и измеряли электрический ток, который протекал через систему. Зависимость тока от напряжения позволила получить спектр электронов в углеродной нанотрубке и узнать ширину запрещенной зоны.

«Предложенный в работе метод позволяет не только получить информацию о зонной структуре углеродной нанотрубки, но и выяснить, как она меняется под влиянием внешних воздействий. В частности, в данной работе мы при помощи туннельного контакта напрямую наблюдали снятие долинного вырождения в магнитном поле. Этот давно предсказанный эффект, проявляющийся в энергетическом расщеплении максимумов плотности состояний, мы впервые продемонстрировали в случае индивидуальной нанотрубки», — говорит соавтор исследования Георгий Федоров, заместитель заведующего лабораторией наноуглеродных материалов МФТИ.

Образцы были изготовлены сотрудниками лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ на базе ЦКП МФТИ. Экспериментальная часть выполнена в проблемной радиофизической лаборатории Московского педагогического государственного университета и в ЦКП ФИАН «Исследования сильно-коррелированных систем».

Работа выполнена при поддержке РФФИ, РНФ и Министерства науки и высшего образования РФ.

Пресс-служба МФТИ

https://poisknews.ru/nanotehnologii/tunnelnyj-kontakt-pomog-izuchit-elektronnuyu-strukturu-uglerodnyh-nanotrubok/