Этой осенью, помимо юбилея Физтеха, круглая дата у Института химической физики им. Н. Н. Семенова РАН, базового института ФЭФМ, — ему 90 лет. Также исполняется 125 лет со дня рождения Николая Николаевича Семенова, основателя ИХФ, одного из отцов-основателей МФТИ и единственного в нашей стране нобелевского лауреата по химии. Мы использовали три важных даты как повод заглянуть за двери исторического здания и рассказать, как в его стенах делается передовая наука, на примере мультимодального фемтосекундного аппаратно-аналитического лазерного комплекса.
Начало истории
В XX веке благодаря открытиям Николая Семенова родилась новая наука — химическая физика. Ученым стало понятно, что в основе химических процессов лежат физические законы. И чтобы химия развивалась, необходимо законы эти изучать. Постепенно значимость химической физики возрастала, а в первой половине 60-х годов Семенов увидел перспективность взаимодействия химического и биологического знания. Химическая физика, таким образом, стала неотъемлемой составляющей наук о жизни. «Предвидение Николая Семенова о необходимости тесного взаимодействия трех наук — физики, химии и биологии (естественно, дополненное союзом с математикой) — как важнейшего научного направления для будущего существования человечества полностью сбывается в наши дни. Наука о жизни становится важнейшей в последующем развитии естественных наук, и она будет развиваться в XXI веке под знаком Семеновских идей», — говорит Александр Шилов, академик РАН.
Ярким примером работы химфизиков на стыке трех наук, который успешно помогает приоткрывать тайны природы, являются исследования, проводимые с помощью фемтосекундного лазера.
Виктор Надточенко, директор ФИЦ ХФ РАН им Н. Н. Семенова, выпускник МФТИ 1976 года:
«Та наука, которую создал Николай Николаевич Семенов, оказалась очень разносторонней. Она проникает и в современную биофизику, и в биологию, и в материаловедение. Куда ни посмотри, всюду срабатывает химическая физика».
Лазеры и люди
«В начале 90-х было интересное время.Финансирование науки сильно сократилось, зарплаты задерживали, исследования сворачивали… Тогда и начались работы по изучению процессов в газовой фазе с помощью лазерного излучения», — рассказывает историю создания направления, лаборатории и установки Виктор Надточенко.
У истоков установки и направления стоял ныне покойный Олег Михайлович Саркисов, профессор МФТИ, руководитель лаборатории био- и нанофотоники в ИХФ. Лазерная система, хотя и создавалась из «готовых» деталей серийного производства, потребовала колоссальной работы, чтобы функционировать, как единое целое. Обращение с техникой такого уровня сложности дело тонкое: лазерные блоки должны быть определенным образом скомпонованы, непростая система регистрации импульсов должна была быть отлажена, также должен быть написан специальный софт, обеспечивающий взаимодействие всех компонентов системы. В результате были созданы уникальные фемтосекундные технологии мирового уровня для изучения структурно-динамических закономерностей в различных системах. «Сам Олег Михайлович Саркисов до последних дней оставался человеком, молодым душой, всегда был заводной и большой оптимист. Он смог вокруг себя собрать прекрасных ребят, главным образом это выпускники Физтеха, нашего факультета. Сегодня они уже зрелые ученые. Эти ребята намного более ценны, чем сама установка», — говорит Виктор Надточенко.
«Быстрая» спектроскопия
Сначала лаборатория больше ориентировалась на исследования физических процессов в газовой фазе. Со временем тематика расширилась. Был сделан большой цикл работ по исследованию первичных химических процессов поглощения кванта света в родопсине, зрительном белке человеческого глаза.
Михаил Островский, академик РАН, один из авторов научного направления «молекулярная физиология зрения»:
«С помощью уникальной установки, которую создал Олег Михайлович Саркисов, мы ведем работы по фемтосекундной лазерной спектроскопии, где вспышка света длится всего 25 фемтосекунд. Исследуем сверхбыструю фотохимическую реакцию в ключевой молекуле зрения. Скорость этой реакции, как оказалось, порядка 100 фемтосекунд. Это одна из самых быстрых фотохимических реакций в природе. Свет в зрении нужен только для того, чтобы запустить реакцию в этой молекуле. Все последующие реакции в клетке в свете не нуждаются. Сейчас мы продолжаем эти работы с учеником Саркисова Виктором Андреевичем Надточенко.» Из интервью порталу «Научная Россия.
Другое глобальное направление — изучение фотосинтеза. Ученые ищут ответы на вопросы о том, как именно квант света превращается в химическую энергию и почему он так хорошо это делает.
Продолжается цикл работ, связанный с исследованием быстрых процессов в разных химических системах: наносистемах, квантовых точках. Можно создавать начальные квантовые состояния, управлять ими на определенном промежутке времени с помощью внешних манипуляций, заставляя реакцию идти по заданному пути. Это направление прячется под словами «когерентное управление».
В спектроскопии быстрых процессов много направлений, и все время появляются новые. Главная особенность — работа с очень короткими импульсами. C помощью импульса длительностью несколько фемтосекунд, (одна фемтосекунда — это одна квадриллионная, или одна миллионная миллиардной доли секунды) можно получить обширную информацию о скорости процессов и структуре молекул, которые исследуют ученые.
Кроме фундаментальных работ, ведутся и прикладные исследования. Например, в области тераностики — нового направления в медицине, позволяющего сочетать одновременно диагностику и терапию. В лаборатории занимаются созданием объектов, с помощью которых можно следить за состоянием клетки, адресно доставлять в нее биологические или фармпрепараты или удалять какие-нибудь органеллы.
От спектроскопии к манипулированию
Олег Саркисов, его студенты и аспиранты создали сначала первую версию комплекса — фемтосекундное лазерное излучение в нем использовалось по большому счету для проведения спектроскопических исследований. Был использован лазер на красителях, это достаточно ресурсозатратная и капризная технология. Затем появились твердотельные титан-сапфировые лазеры, они более стабильны и эффективны. И в работе начали использовать их.
Александр Залесский, старший научный сотрудник лаборатории био- и нанофотоники ИХФ РАН, доцент кафедры МФТИ, выпускник ФБМФ МФТИ 2009:
«Постепенно мы пришли к идее объединить фемтосекундное лазерное излучение с микроскопом и, соответственно, иметь возможности воздействия лазером на микроскопическом уровне. По большому счету конечный комплекс — детище всей лаборатории, ведь планы и результаты в течение многих лет коллективно обсуждались и развивались на научных семинарах».
В 2006 году в ходе эксперимента исследователи обнаружили, что сфокусированное фемтосекундное лазерное излучение может захватывать объекты. Это был эффект оптического пинцета, для фемтосекундных лазерных импульсов еще мало изученный. И в лаборатории нанобиофотоники начинались эксперименты по оптическому манипулированию. Вначале это были полимерные шарики, потом ученые перешли на клетки и волокна, а дальше к оптическому манипулированию добавилась идея фемтосекундного лазерного скальпеля. Впервые в мире была создана установка, сочетающая множество «лазерных скальпелей» с «голографическим лазерным пинцетом».
Пинцет и скальпель
Технология оптического пинцета позволяет захватывать и перемещать предметы от микро- до наноразмера. Эффект удержания возникает при прохождении света через объект. Импульс фотона при этом меняется, соответственно, объект тоже должен приобрести аналогичный по величине и противоположный по направлению импульс. В результате на объект действует сила, благодаря которой можно его перемещать.
Фемтосекундный лазер оперирует импульсами длиной до 10^(–14) секунды. Для таких коротких импульсов с маленькой энергией можно получить очень высокую интенсивность. Эта высокая интенсивность света локализуется в субмикронном объеме примерно 200 на 300 нанометров. Должным образом настроив систему, можно двигать или прицельно разрезать конкретные химические связи, не разрушая остальные части системы. Все это делается под микроскопом, под визуальным и программным контролем. Такой ювелирной точности подход особенно важен для биологических приложений: клетки остаются жизнеспособными после манипуляций.
Фемтосекундный лазер оперирует импульсами длиной до 10^(–14) секунды.
Нанохирургия
С 2009 года в лаборатории стали применять оптические исследования к решению проблем эмбрионального развития.
К 2012 году были созданы фундаментальные основы технологии фемтосекундной лазерной микрохирургии эмбрионов млекопитающих. Впервые в мире проведены лазерные микрохирургические операции получения «чистой линии» мышей. Все стадии операции были сделаны только с использованием лазеров, без применения иных способов реконструкции эмбриона.
Должным образом настроив систему, можно двигать или прицельно разрезать конкретные химические связи, не разрушая остальные части системы.
Сегодня это уже методика малоинвазивной фемтосекундной лазерной нанохирургии клеток, эмбрионов и биологических тканей для применения в медицине. «Смысл этой методики в том, чтобы, вооружившись специально настроенным “световым пятнышком”, залезть внутрь клетки, не разрушая внешней мембраны. А внутри провести определенные хирургические операции. Мы умеем создавать скальпель и пинцет из особым образом организованного светового пучка лазера. Эта технология представляет интересы для широкого круга задач, начиная с ЭКО и заканчивая генетическим редактированием при разного рода патологиях», — говорит Виктор Надточенко.
Биофотоника уже дала новые методы и подходы для аппаратной диагностики заболеваний, а также фотохимические методы лечения ряда заболеваний, например рака. Оптика позволила достичь небывалого уровня точности воздействия. Наука продолжает свое развитие.
Николай Николаевич Семенов, один из отцов-основателей Физтеха, родился 15 апреля 1896 года в Саратове. Он был учеником Абрама Федоровича Иоффе, тесно работал с Кондратьевым, Харитоном, Капицей, Штерном, Герлахом, Френкелем и многими другими выдающимися учеными. В 1931 году его лаборатория физики электрона переросла в Институт химической физики Академии наук СССР. Семенов стал основоположником нового научного направления, которое теперь всем известно как химическая физика.
Николай Николаевич был академиком АН СССР. В 1956 году ему присуждена Нобелевская премия по химии за теорию разветвленных цепных реакций.
