Сайт СФУ
Сибирский форум. Интеллектуальный диалог
октябрь / 2016 г.

О науке, которая рядом

Искусственный фотосинтез, наноплазмоника, аптамеры, фотонные кристаллы и другие новейшие направления исследований на примере всего лишь одной лаборатории.

Почему-то нам кажется, что и новые материалы, и новые технологии возникают где-то там, далеко-далеко. А на самом деле передний край науки проходит и через наш город. Убедиться в этом можно на примере лаборатории нелинейной оптики и спектроскопии Сибирского федерального университета, руководит которой Сергей Петрович ПОЛЮТОВ, кандидат физико-математических наук и PhD-биотехнологии.

— Сергей Петрович, в декабре исполняется три года вашей лаборатории. Под какие задачи она была организована и как далеко удалось продвинуться в их решении?

— Лаборатория изначально создавалась на принципах организации научной и образовательной работы, принятых в технологически развитых странах Запада. Значительную часть поставленных задач уже удалось решить. Важнейшая из них — создание кадрового ядра, в основном состоящего из молодых и перспективных научных сотрудников.

Также лаборатория активно участвует практически во всех стратегических проектах СФУ, например, в таких как Postdoc SibFU. Нам удалось создать устойчивые связи с зарубежными научными центрами и университетами, с которыми заключены договоры о сотрудничестве. В том числе и договор о двойных дипломах по программам обучения в аспирантуре. В лаборатории на постоянной основе читают лекции на английском языке профессора ведущих зарубежных университетов. Нами разработана и собственная программа обучения для аспирантов на английском языке.

С точки зрения науки мы были нацелены на решение современных задач нелинейной оптики, спектроскопии, биотехнологий и квантовой химии. В настоящее время тематика лаборатории достаточно широка и включает в себя разработку научных основ для создания принципиально новых оптических материалов и методов для широкого спектра самых разнообразных приложений оптики, биологии и биотехнологии и даже медицины.

Одна из захватывающих задач — изучение процессов переноса энергии и заряда в так называемых молекулярных агрегатах. К ним, например, относятся фотосинтетические комплексы листьев растений и некоторых бактерий, которые служат для «сбора» света от Солнца, то есть являются первым элементом в процессе природного фотосинтеза. Мы исследуем эти процессы, чтобы научиться конструировать искусственные фотосинтетические системы, аналогичные по своим свойствам природным, то есть искусственный аналог природного фотосинтеза. Здесь надо отметить, что при конструировании этого можно не просто создать аналоги, но с помощью теории оптимального управления даже улучшить природные характеристики фотосинтетических комплексов. Никаких принципиальных ограничений для этого нет.

Другим интересным направлением наших исследований, выполняемых совместно с Красноярским научным центром, является так называемая наноплазмоника. Направление связано с таким физическим явлением, как плазмонный резонанс. Если говорить просто, то это явление наблюдается в малых металлических частицах или тонких плёнках размерами до нескольких десятков нанометров. При воздействии на такие объекты светом электроны проводимости, которые находятся в металле, начинают колебаться под действием переменного электрического поля оптической волны относительно ионов кристаллической решётки. Как и у любого маятника, у этой системы существует резонанс на некоторой частоте. Этот резонанс может быть использован в различных приложениях. Так, если из плазмонных наночастиц собрать цепочку, то она может использоваться в качестве сверхминиатюрного наноразмерного оптического волновода.

Чем такие плазмонные элементы лучше классических? Дело в том, что современные компьютеры уже подошли к теоретическому пределу производительности, и развивать их дальше становится всё труднее. В случае применения наноплазмоники становится возможным увеличить частоту работы процессора на три-четыре порядка. В настоящее время до практической реализации процессора на основе наноплазмоники ещё далеко, однако эксперименты в мире проводятся.

В нашей лаборатории основной упор делается на моделирование разнообразных процессов в плазмонно-резонансных системах.

Эксперименты в этой области требуют дорогостоящего оборудования и уникальных методик, а математическое моделирование позволяет существенно сэкономить на синтезе экспериментальных объектов, заранее предсказав их свойства, а также определив их оптимальные параметры.

Для проведения экспериментальных работ мы активно ищем партнёров в Москве, Петербурге, Томске, университетах Испании, Швеции и в других научных центрах. В настоящее время у нас в Красноярске на предприятии «Радиосвязь» создана нанолаборатория, которая способна создавать нужные нам наноразмерные объекты. Надеемся в перспективе установить с ними взаимополезные связи.

В Гамбурге строится лазер на свободных электронах, где смогут работать и учёные СФУ.

В Гамбурге строится лазер на свободных электронах, где смогут работать и учёные СФУ.

— Из всего сказанного можно заключить, что вы стоите на передовой, и догонять вам не приходится.

— Да, можно сказать, что на передовой. А по поводу «догонять»… В каких-то направлениях и догонять приходится, а в каких-то на уровне держимся. Например, у нас есть тема, связанная с разрушением опухолевых клеток. Исследования мы проводим совместно с нашим медицинским университетом. О чём идёт речь? Есть такие структуры, которые называются аптамеры. Это небольшие фрагменты ДНК, которые способны распознавать и присоединяться к раковым клеткам в организме. В нашем медицинском университете решили задачу селекции этих аптамеров. У нас же идея заключалась в том, чтобы к аптамерам прикреплять плазмонные золотые наночастицы, а затем проводить их облучение импульсным лазером, что за счёт нагрева наночастиц разрушает раковые клетки. Мы уже провели ряд экспериментов. И по теории, и по экспериментальной части опубликовали первые статьи.

Ещё одно направление нашей работы связано с исследованием нового типа перспективных солнечных батарей в гибридных наноструктурах на основе кремния и органических полупроводников с применением плазмонно-резонансных частиц. Предполагается, что такие структуры не только будут намного более дешёвыми по сравнению с классическими солнечными батареями, но также будут более эффективно преобразовывать солнечный свет в электричество. Направление достаточно модное, им в мире занимаются многие научные группы.

Развитие этого направления в лаборатории оказалось возможным как раз благодаря программе Postdoc SibFU, которая запущена в рамках Проекта 5-100. В лаборатории появился первый иностранный сотрудник, постдок из Индии, который имеет серьёзный опыт как в моделировании подобных структур, так и в проведении соответствующих экспериментов. Проблема в том, что для экспериментов требуется достаточно дорогое оборудование. Отчасти оно есть в Институте физики СО РАН, и мы надеемся его использовать. Хотя, конечно, лучше, чтобы оборудование было и в СФУ. Тогда темп работы был бы существенно выше.

Например, в Красноярске ни у кого нет симулятора солнечного излучения, который необходим для финальной стадии экспериментов, так что нам придётся как-то выкручиваться и проводить последнюю часть экспериментов вне Красноярска.

С Институтом физики мы ещё сотрудничаем по фотонным кристаллам. Есть определённый коллектив и на кафедре фотоники Института инженерной физики и радиоэлектроники нашего университета. Если говорить упрощённо, то фотонные кристаллы — это микросхемы и антенны нового поколения. В них вместо электронов работают фотоны — мельчайшие частицы света. А вместо электричества — оптика.

Мы также проводим исследования с так называемыми квантовыми точками. Они возникают, если полупроводник, грубо говоря, начать рассекать на мелкие-мелкие части. В один прекрасный момент эти «кусочки» станут такого размера, что полупроводник начнёт вести себя не как полупроводник, а как некая «квантовая точка» с определёнными особенностями. Эти рукотворные «атомы», часть свойств которых можно задавать по своему усмотрению, можно использовать для преобразования света, для биосенсорики, микро- и наноэлектроники и ещё много для чего.

Интересно то, что для описания оптических процессов, связанных с квантовыми точками, можно во многих случаях использовать тот же математический аппарат, который мы используем для описания, например, молекулярных агрегатов. Так что все направления наших исследований оказываются связанными, несмотря на то, что физика процессов везде разная.

— Значит, сотрудничество с Институтом физики и в целом с Красноярским научным центром идёт полным ходом. А как складываются отношения с зарубежными коллегами?

— У лаборатории налажено взаимодействие сразу с несколькими научными центрами Швеции, Германии, Китая, Испании, Индии. И мы постоянно расширяем наше сотрудничество, так как появляются всё новые междисциплинарные задачи, которые можно решить только в коллаборации, а часть проводимых нами исследований в России больше нигде не представлены.

Одним из направлений нашего сотрудничества с зарубежными коллективами являются исследования по рентгеновской спектроскопии. Но дело в том, что сегодня в России нет синхротронов последних поколений, которые нужны нам для проведения экспериментов с теми же молекулярными агрегатами. А на Западе уже появились так называемые лазеры на свободных электронах, которые позволяют проводить принципиально новые эксперименты. Поэтому тут мы без сотрудничества вообще не можем обойтись. К счастью, такое сотрудничество нами организовано, и, кстати, Россия в данный момент активно вовлечена в строительство нового международного лазера на свободных электронах в Гамбурге. Так что мы надеемся в перспективе на нём поработать.

Можно сказать, что эти рентгеновские лазеры по своему влиянию на развитие науки могут даже превзойти влияние классических лазеров, которые привели к созданию принципиально новых областей науки и к новым современным технологиям. Интерес к этим рентгеновским лазерам обусловлен также и тем, что они появились совсем недавно, и практически каждый эксперимент там приносит открытие.

Экспериментаторы, однако, часто не понимают, что именно они получили. А мы как теоретики можем дать объяснение. И здесь возникает крайне интересная ситуация: мы почти напрямую можем перенести значительную часть нашего многолетнего опыта по моделированию физических процессов в нелинейной оптике, в оптическом диапазоне на рентгеновский диапазон, в котором оперируют лазеры на свободных электронах. Так, совсем недавно нам удалось объяснить один из экспериментов, который, как мы полагаем, может привести к появлению нового мощного метода динамического рентгеноструктурного анализа.

— Как в научном сообществе оценивают результаты, полученные вашей лабораторией за эти три года?

— У нас за три года вышло более пятидесяти публикаций в высокорейтинговых научных журналах из баз Web of Science и Scopus. В основном это журналы из первого и второго квартиля. В этом году у нас около двух публикаций на сотрудника за год. Много это или мало? Например, в институтах авторитетного в научных кругах Общества Макса Планка (немецкий аналог нашей РАН) среднее число публикаций колеблется между 1.3 и 1.4 публикации на сотрудника в год. При этом у нас финансирование из всех источников на порядок ниже, чем там.

При этом стоит отметить, что и публикации у нас действительно высокого уровня. Например, в прошлом году у меня вышла большая статья в престижном журнале Physics reports по молекулярным агрегатам. На неё чуть более чем за год уже около двадцати пяти цитирований. А это много на самом деле. Это и есть пример оценки коллег.

— А как обстоят дела с молодым пополнением? Есть перспективные ребята из тех, кто заканчивает университет?

— В лабораторию обращается довольно много молодых ребят, и среди них проводится конкурсный отбор. Стоит заметить, что наши аспиранты трудоустраиваются в лаборатории на полные ставки, достаточные для того, чтобы не бегать по подработкам и не отвлекаться от научной работы.

Добавлю, что при объявлении конкурса PhD SibFU в этом году в лабораторию за месяц-полтора поступило более тридцати заявок от иностранных студентов, которые хотели бы обучаться и работать в лаборатории.

Следует сказать, что мы занимаемся обучением только с уровня аспирантуры. Такая модель функционирования научных лабораторий очень распространена в международной научной практике. Внутри университетов, как правило, существует несколько научных институтов, а не только образовательных, как у нас. Я работал в трёх университетах в Швеции, в Германии, где при каждом есть научный центр. Конечно, у сотрудников этих центров есть преподавательская нагрузка, но она занимает процентов десять рабочего времени, не больше. И в основном именно на уровне аспирантуры. Там чётко различаются профессор-исследователь и профессор, читающий лекции.

У нас же этого нет. А как заниматься наукой, когда в России у доцентов только аудиторная нагрузка девятьсот часов в год? Это значит, что он пять часов стоит в учебной аудитории и три часа у него есть на подготовку к лекциям, на написание каких-то бумаг, отчётов, планов и прочее. Какая тут может быть наука? У профессоров ситуация получше, но, в мире, по понятным причинам, наибольшую научную активность проявляют именно доценты. Это серьёзная проблема, которая существует практически во всех российских университетах. Насколько я понимаю, СФУ над этой проблемой работает. В том числе и с помощью создания лабораторий, подобных нашей.

А что касается перспективных ребят, то в настоящее время у нас работает четыре аспиранта, двое из которых в прошлом году получили стипендию Президента России для обучения за рубежом и сейчас заканчивают стажировку в Стокгольме. Все наши аспиранты исключительно талантливы. Конечно, когда они к нам приходят, им требуется некоторое время для вхождения в тематику лаборатории. Но это происходит достаточно быстро. Как правило, первые серьёзные научные публикации в высокорейтинговых научных журналах у наших аспирантов появляются уже в течение первого года обучения.

Здесь также хотелось бы сказать об участии нашей лаборатории в стратегических проектах университета по развитию системы собственных научных степеней PhD. На сегодняшний день у нас практически завершена работа по подготовке восьми специализированных курсов лекций для аспирантов, которые будут читаться на английском языке. Эти курсы нужны для того, чтобы ребята могли работать на действительно высоком уровне. К настоящему моменту мы уже прочитали для аспирантов четыре курса лекций. В том числе для чтения лекций к нам приезжали профессора из Китая и Швеции. Причём приезжали за свой счёт. А это говорит о том, что у них к нашей лаборатории есть серьёзный интерес.

По нашей специальности аспиранты теперь могут кроме степени кандидата наук получить степень PhD СФУ. Наш диплом PhD, конечно, первое время вряд ли будет серьёзно котироваться, и поэтому его надо каким-то образом продвигать. На мой взгляд, самый хороший механизм для продвижения — подписание соглашения о двойных дипломах с ведущими мировыми университетами. Здесь мы также «убиваем» ещё одну «пару зайцев»: предоставляем нашим аспирантам возможность прослушать курсы лекций в ведущих мировых университетах и получаем возможность приглашать ведущих профессоров в СФУ.

Недавно мы подписали соглашение с Королевским технологическим институтом в Стокгольме. Он входит в топ по всем трём ведущим международным университетским рейтингам, то есть его дипломы даже в России признаются без нострификации. А уж в других международных научных центрах выпускников этого института принимают на работу без лишних вопросов. Теперь наши аспиранты будут защищать диссертации и одновременно получать два диплома — диплом Сибирского федерального университета и диплом Королевского технологического института. Пользуясь случаем, приглашаю студентов магистратуры поучаствовать в конкурсе на поступление к нам в аспирантуру. Перспективы открываются очень интересные.

— А ситуация с двумя дипломами не будет способствовать так называемой утечке мозгов?

— К сожалению, такое возможно. Но с другой стороны, молодые ребята обязательно должны пройти практику в международных научных центрах. Это не только расширяет общий и научный кругозор, но и даёт возможность посмотреть, как функционирует наука в мире, как осуществляется обмен современными научными идеями. Наконец, просто даёт возможность пообщаться с ведущими мировыми лидерами в той или иной научной области. Провинциализм в науке — это совсем нехорошо. Наука, по крайней мере фундаментальная, по своей сути является международной. Международная научная система устроена таким образом, что происходит постоянный обмен сотрудниками, студентами, аспирантами и, как следствие, обмен научными идеями. Если этого нет, то происходит застой.

Стоит сказать, что на Западе выпускники, защитившие диссертацию, крайне редко остаются в альма-матер. Университеты, как правило, не могут их оставлять у себя. И в этом есть положительный момент — из выпускников по всему миру формируется «научная сеть». А это реклама университету, это научные контакты в других странах, это лоббирование этими выпускниками альма-матер на международном уровне.

Другое дело, что от них не только уезжают, но к ним и приезжают, а в России ситуация другая. Это в основном финансовый вопрос. Определённые успехи в этом направлении, как я уже сказал, есть — к нам приехали первые иностранные постдоки и скоро появятся первые иностранные аспиранты. А потому есть определённая надежда, что ситуация и дальше будет улучшаться. Давайте будем оптимистами.

Галина ДМИТРИЕВА