«Наука позволяет познавать мир, узнавать что-то новое. Для меня работа над проектами — это творческий процесс, который приносит радость»

О новых двумерных материалах толщиной в атом, исследовании действия китайских трав на твенную ткань мозга и прозрачной электронике будущего рассказал грантополучатель РНФ Сергей Новиков, заведующий лабораторией контролируемых оптических наноструктур МФТИ.

Сергей, сейчас у вас в работе два проекта, которые получили грант РНФ — они оба несут прикладные цели?

Современные технологии, основанные на возможностях управления светом, являются очень перспективными для базовых отраслей мировой промышленности, таких как энергетика, наноиндустрия, микроэлектроника, средства коммуникации. В этой области у нас в работе два проекта сроком до 2026 года. Плюс еще один мы успешно завершили в 2023 году —- «Метаповерхности с нелинейным оптическим откликом на основе дихалькогенидов переходных металлов«.  В завершенном проекте с помощью методов лазерной абляции и электронно-лучевой литографии были получены индивидуальные наночастицы различной формы  из слоистых материалов (дихалькогениды переходных металлов) с высоким показателем преломления и имеющих сильный оптический отклик благодаря Ми-резонансам. Именно в слоистых материалах диэлектрическая проницаемость вдоль слоев и перпендикулярно слоям может отличаться в несколько раз. При этом дихалькогениды переходных металлов обладают высокими значениями показателя преломления, сравнимым или превышающим значения для таких «традиционных» для фотоники материалов, как германий и кремний. Наличие анизотропии в таких системах определяет поляризационную зависимость их оптического отклика и соответствующего распределения ближних электромагнитных полей. Затем,  используя такие наночастицы в качестве «строительных блоков», были получены метаповерхности — периодические массивы, состоящие из этих частиц. Они позволяют поддерживать высокодобротные квази-запертые моды, чувствительные как к изменению окружающей среды, так и например поляризации падающего излучения. 

Один из двух текущих проектов: «Метаповерхности с перестраиваемым линейным и нелинейным оптическим откликом на основе ван-дер-ваальсовых материалов», имеет значение как для фундаментальной науки, так и для возможных технических приложений. В этом проекте исследуется возможность управления линейным и нелинейным откликом наноструктур в динамике. Один из подходов основан на управлении резонансами наночастиц и их нелинейным откликом при помощи поворота вектора поляризации излучения параллельно и перпендикулярно слоям материала. Также мы отработали технологию позиционирования наночастиц при помощи атомно-силового микроскопа, путем их вращения, что позволит разворачивать слои Ван-дер-Ваальсовых материалов под углом или перпендикулярно подложке. Этим действием мы можем ориентировать поляризацию падающего света как параллельно, так и перпендикулярно слоям, достигая максимальной анизотропии оптического отклика. 

Другой подход заключается в управлении добротностью и спектральным положением резонансов наночастиц и метаповерхностей из слоистых материалов посредством использования сред-посредников — нематических жидкие кристаллы и теллурида германия-сурьмы. Также мы исследуем возможность объединения этих двух подходов. 

Реализация проекта имеет потенциальную практическую значимость, поскольку станет базой для разработки новых многофункциональных устройств нанофотоники и позволит расширить элементную базу интегральной оптики.  

Как всё это не просто звучит! А второй текущий проект?

У второго есть вполне понятное практическое применение в медицине — «Плазмонные наносенсоры для систематического изучения влияния новых лекарств на клетки головного мозга». Здесь мы разбираемся в механизме действия трав, которые используются в традиционной китайской медицине, но применяем при этом  современные технологии и новые материалы. Это совместная работа с нашими коллегами из Китая — Southeast University (SEU), проект с профессором Xiangwei Zhao.  

Наработанный веками опыт показал, что некоторые (так называемые «кроветворные») травы можно использовать при лечения инсульта — одной из самых распространенных причин смертности и инвалидности в мире. Но, чтобы запустить в медицинскую практику новые лекарства на основе компонентов трав, им необходимо пройти серьезные испытания. В нашем проекте мы предлагаем построить модель органоида мозга (объемная колония клеток, повторяющих структуру нейронов и их связей в мозге — прим. ред.) в состоянии инсульта для комплексного исследования механизмов действия таких трав, как Salvia Miltiorrhizae Radix et Rhizoma и Chuanxiong Rhizoma. Таким образом, мы изучим эффективность влияния компонентов трав на ключевые патологии: истощение энергии, перегрузку кальцием, окислительный стресс, воспаление, апоптоз и т. д. Также с помощью модели будут изучены состояния ткани мозга до инсульта, в ходе самого инсульта и после медикаментозного лечения. В идеале наши результаты послужат развитию инновационных технологий в фармацевтике.

 На какой срок рассчитан проект и какова роль российской стороны?

Проект рассчитан на три года. Главная задача нашего исследования — ответить на непростые вопросы: как лечить последствия инсульта и как предупредить сам инсульт. Китайская сторона предоставляет нам компоненты, которые содержатся в медицинских травах. Наша лаборатория разрабатывает биосенсоры с использованием двумерных материалов — наноустройства, которые позволят получить информацию о биохимических параметрах патологических процессов. Вклад сторон в проект ожидается примерно равный.

Сенсоры на основе двумерных материалов существенно меньше обычных?

Я бы сказал не «на основе», а «с использованием» двумерных материалов. В зависимости от конкретной задачи размеры сенсоров могут варьироваться от 100х100 мкм2 до квадратных сантиметров и более, это различие на много порядков. А вот составные части наших сенсоров представляют собой наночастицы размером порядка 10–100 нанометров, это около одной миллиардной части метра. Чтобы дать представление о таком размере, проще всего упомянуть, что толщина среднего человеческого волоса 50–70 тысяч нанометров. Наши сенсоры очень чувствительные и высокоселективные, что позволяет добиться точных результатов.

Модель органоида мозга — это ведь специально выращенная искусственная ткань? Звучит фантастически!

Собственно, искусственно выращенный орган — это и есть органоид. Но пока вопрос по выращиванию чего-либо, что полноценно смогло бы заменить человеческий орган, остается открытым. Несмотря на это, органоиды могут служить отличными моделями для имитирования ряда заболеваний или тестирования влияния лекарственных средств, как в нашем случае. Наша группа будет разрабатывать сенсоры для того, чтобы их впоследствии вживлять в ткань либо размещать на поверхности. Мы планируем работать с клетками ткани, изучая воздействия компонентов трав при различных концентрациях. При изучении лекарственного механизма и его эффективности будем проводить всесторонний анализ с использованием большого объема данных медицинской практики, экспериментов и опытов. Это огромный массив данных, и для его обработки будут применяться технологии искусственного интеллекта.

Давно ли вы сотрудничаете с Китаем, есть ли еще совместные проекты?

Мы познакомились с этими партнерами лет пять лет назад. Китайские ученые вышли на наш центр и мы организовали несколько сессий онлайн-переговоров на которых познакомились более близко с тематиками работ. Нас пригласили в Китай, но начался ковид, и наша личная встреча, к сожалению, не состоялась, пришлось подождать пару лет. Однако общение продолжалось, мы подали несколько совместных проектов. И вот очередная наша попытка оказалась удачной. Также за прошедшее время мы успели опубликовать совместные статьи. 

Насколько вообще активно наука изучает действие трав народной медицины?

В целом Китай сейчас ведет активные исследования в данном направлении. Да мы и сами с детства много слышали о том, что китайская традиционная медицина творит чудеса. Почему бы, собственно, сейчас не разобраться, в чем волшебный эффект этих трав? Это же обычные химические соединения, которые в определенной концентрации и комбинации благотворно влияют на наш организм.

У вашей лаборатории есть еще какие-то международные партнеры?

Мы развиваем многолетнее сотрудничество с Израилем, Мексикой и Индией. Это проекты, связанные с разработкой технологий синтеза и сборки наноматериалов для нанофотоники и оптоэлектроники и, конечно же, в области разработки сенсоров, которые сейчас очень востребованы. 

Какие еще проекты и направления осваиваете в лаборатории?

Если в двух словах, то мы занимаемся изучением физических свойств двумерных и квазидвумерных материалов, а также перспектив их применения для создания фотонных и оптоэлектронных устройств. Разрабатываем технологии синтеза и сборки наноматериалов для фотоники и оптоэлектроники. Работаем над созданием компактных высокочувствительных сенсоров с использованием 2D-материалов, ультратонких металлических пленок, ван-дер-ваальсовых гетероструктур и других новых перспективных материалов, таких как перовскиты и максены. У нас есть и междисциплинарные направления, например тераностика —- подход, позволяющий одновременно эффективно и с высокой точностью проводить диагностику заболеваний на ранних стадиях и проводить лечение. В частности, китайский проект — один из производных таких направлений.

Кажется, что «в двух словах» получилось как раз не очень понятно! А можно пример, чтобы было яснее?

Ну представьте себе диагностику и лечение в одном пакете. Осуществляется точечное воздействие на больные клетки путем адресной доставки лекарств в контейнере (наночастицах), специальным образом функционализированных к клетке-мишени. А далее, после накопления в больных клетках этих наночастиц, либо за счет активации лекарства, либо за счет фототермического эффекта при лазерном возбуждении происходит разрушение больных клеток. Такое лечение является щадящим для организма, поскольку не страдают другие клетки и органы. Другой пример — это развитие технологий так называемой дополненной реальности, например специальные контактные глазные линзы. Или вот возьмем персонализированную медицину: представьте себе гибкий сенсор, нанесенный на кожу тела, как пластырь, но только толщиной в несколько нанометров, который снимает жизненно важные показания и при этом позволяет вам вести привычный образ жизни и даже не замечать его присутствия.

Проекты актуальные и масштабные. А сколько человек работает в вашей лаборатории, ведете ли вы студентов и аспирантов?

В нашей лаборатории 28 человек, из них два доктора наук, шесть аспирантов и пять студентов. Сейчас я являюсь научным руководителем у одного студента, он готовит бакалаврскую работу, и еще у аспиранта второго года. В прошлом году моя аспирантка защитила кандидатскую диссертацию, как раз по тематике, которая связана с китайским проектом. В целом у нас идет активная работа с молодыми учеными, это важная задача. 

Чем вы привлекаете студентов? Я слышала, что для них важно работать над реальными проектами.

У нас очень много реальных и перспективных задач, поэтому к нам приходят студенты и тут же вливаются в процесс. Они имеют возможность выбирать себе научных руководителей, тематики. У нас дружный коллектив, в лаборатории есть самое современное оборудование, на котором они учатся работать. То есть потенциально присутствует возможность осваивать достаточно глубоко несколько методик. Кроме того, мы стараемся, чтобы наши студенты учились вести свои проекты самостоятельно, а не были просто операторами установки. 

Понятно, что у каждого своя специализация, но реальный проект — это, как правило, командная работа, и мы учим студентов контактировать друг с другом: разобраться, что это за метод, какие дополнительные измерения необходимы, к кому обратиться за помощью и советом. То есть как можно более плотно погружаем в практику после того, как они освоили теорию и работу на сложном оборудовании. 

Наша задача — учить и направлять, чтобы вырастали квалифицированные и при этом самостоятельные специалисты, умеющие ставить перед собой задачи и добиваться их решения, а не пассивно ожидать указания, что и как им делать. Этим физтехи и отличаются, они сами начинают приходить и задавать вопросы, предлагать, как лучше. Они не довольствуются рамками задачи, они начинают работать и смотрят более глубоко и широко и мы всячески это поддерживаем.

Что вам самому нравится в науке, в исследовательских проектах, в которых вы принимаете непосредственное участие?

Наука позволяет познавать мир, узнавать что-то новое. Для меня работа над проектами — это творческий процесс, который приносит радость.

Вы работали в Европе около десяти лет. Расскажите немного о своем зарубежном опыте. 

Знакомство с Европой у меня началось с Дании. Я работал в группе профессора Сергея Божевольного — кстати, выпускника Физтеха. Он специализируется на плазмонике, то есть изучении явления, возникающего при взаимодействии света с металлическими нанообъектами. Мне было интересно поработать в его группе, узнать, как складывается научная работа. Когда вы общаетесь с учеными мирового уровня и работаете под их руководством, вы и сами быстро развиваетесь как ученый. 

Но в Европе не принято находиться на одной позиции длительное время, поскольку это может негативно повлиять на карьеру, поэтому спустя несколько лет я продолжил работу в другой лаборатории: BioNanoPlasmonics в группе профессора Луис Лис Марзана в Испании. Я знал его по конференциям, и когда меня пригласили в его новый большой проект, это был существенный шаг в развитии моей научной работы. 

Деятельность лаборатории Луис Лис Марзана сосредоточена на синтезе наночастиц и нанокомпозитов с контролируемым составом, а также их использовании в качестве биосенсоров. До этого я не сталкивался с синтезом и даже не представлял, какие фантастические объекты можно создавать. Затем я вернулся назад к себе в Данию, в Центр оптики профессора Сергея Божевольного.

Чем работа в Европе отличается от российских реалий?

Везде есть свои плюсы и свои минусы. В России очень большой плюс, что вы общаетесь на родном языке, вы дома, вам хорошо знакомы привычки и культура самого общества. В Европе вы имеете возможность общаться с ведущими учеными, получить опыт работы на передовом оборудовании. Но при этом в России все-таки больше возможностей для реализации своих идей, для получения финансирования своей работы. 

Но в качестве серьезного различия в работе я бы отметил то, что в России приобретение необходимого оборудования, комплектующих и реактивов занимает месяцы, тогда как в Европе это дни, недели.  Надеюсь, что постепенно и эти вопросы удастся успешно решить.

А климат?

Конечно, в Дании, а тем более в Испании больше солнечных дней, чем в Москве.

Но у них нет ярких времен года, нашей зимы.

Да, но если вам захочется зимы, вы всегда можете достаточно быстро до нее добраться.

Чем известные ученые отличаются от нас, простых смертных?

Полагаю, что ничем. Ученый — это в первую очередь человек, занимающийся познанием мира, поиском каких-то его закономерностей, это целеустремленный и увлеченный своей работой человек, добившийся успеха за счет долгой и кропотливой работы. В разных областях деятельности, никак не связанных с наукой, можно найти таких людей.

Где проще добиться успеха в карьере?

Если вы имеете ввиду научную карьеру, то я полагаю, это зависит от нескольких факторов. В первую очередь от самого человека, от его знаний, целеустремленности и работоспособности, а также управленческих и коммуникативных навыков, куда же без них.  

Немаловажный фактор — то, какому направлению развития отдается приоритет в стране. Как я упоминал ранее, в 2000-х основной приоритет отдавался явно не науке, поэтому наша страна потеряла огромное количество талантливейших ученых, которые внесли свой вклад в развитие других государств. Это было время не для построения научной карьеры в России. В последнее время ситуация изменилась, наша страна стала привлекательной для развития науки, добиться успехов в России стало значительно проще, что и можно наблюдать по количеству вернувшихся из Европы ученых.

То есть ваше возвращение в Россию в 2017 году было обдуманным шагом?

В то время в России был запущен «Проект 5-100» по повышению конкурентоспособности российских вузов в мире. Благодаря ему по конкурсу постдоков вернулось довольно много хороших российских ученых из ведущих университетов. Значимо выросла информационная активность в СМИ, особенно в 2017–2018 годы. Очень было приятно, когда заходишь на новостные ленты и встречаешь публикации о российских разработках. В эти годы открылось много интересных программ для ученых с большими возможностями. Можно было выбрать интересующее тебя направление и получить работу в центре с новейшим оборудованием, хорошими условиями трудоустройства. В итоге я воспользовался этой возможностью и подал заявку на конкурс на Физтехе. 

В начале работы на Физтехе вы занимались биосенсорами, ультратонкими металлическими пленками, двумерными материалами и планировали открыть свою лабораторию. Как видим, это вам удалось, но как изменилась ваша работа? Какие направления оказались в приоритете?

Да, биосенсорика была одним из приоритетных направлений работы лаборатории, и сейчас это направление также активно развивается, мы используем новые материалы и подходы для создания наших сенсоров. По теме сенсоров недавно защитились моя аспирантка. Это была реализация одной из идей, которые позволяют работать с крупными биологическими объектами. Был получен патент по этим разработкам. 

Сейчас мы переходим к практической реализации применения биосенсоров, решаем вопрос, как можно расширить их использование в практике. Для этого необходимо многократное тестирование. Мы уже успешно протестировали биосенсоры на модельных объектах и на ряде крупных биологических объектов, различных клетках. Так что, как видите, запланированное удалось реализовать. Я бы сказал, что с открытием лаборатории работать стало интереснее, значительно расширилось количество тематик.

Раньше вы активно работали над созданием сенсора, который позволит диагностировать возникновение патологии сердечно-сосудистых заболеваний. Осталось ли у вас это направление и какие в нем есть успехи?

Конечно, осталось! Мы продемонстрировали, что наши сенсоры действительно работают и их можно использовать для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний. Это и была та разработка, по которой мы оформили патент, про который я сказал выше. До внедрения, конечно, еще далеко — медицина имеет дело со здоровьем людей и поэтому очень консервативна. Вначале еще нужно доказать, что предложенная система работоспособна. Этапы тестирования и проверки занимают иногда длительное время.

Ну и в заключение спрошу: какие у вас планы на будущее?

В планах по развитию лаборатории главное — ее выведение на международный уровень. Расширение сотрудничества, как международного, так и внутри страны, расширение исследовательской инфраструктуры, привлечение молодых и активных научных сотрудников, а также их подготовка для работы с двумерными материалами и разработки микро- и наноустройств на основе этих материалов, в том числе и медицинских, на качественно новом уровне. Что еще? Выход на самообеспечение за счет грантов и привлеченных инвестиций. Расширение тематик для работы. Как видите, планы большие. Полученный РНФ грант также будет способствовать их реализации.