От активных броуновских частиц — к бионефти и нанороботам

Олег Фёдорович Петров
Олег Фёдорович Петров

Осенью 2018 года в МФТИ была открыта Лаборатория активных сред и систем. Основателями новой лаборатории стали Объединенный институт высоких температур РАН, Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. Н. Ф. Гамалеи и сам МФТИ. Активные системы — это сравнительно новая научная область, которая сегодня объединяет физиков, химиков и биологов. Исследования в этой сфере, находящейся на стыке нескольких наук, проводятся интенсивно по всему миру. О том, как работает новая междисциплинарная лаборатория, рассказывает директор ОИВТ РАН академик Олег Петров.

Об активных (открытых) системах

В середине прошлого века нобелевский лауреат Илья Пригожин ввел понятие диссипативных структур — это и есть то, что мы сегодня называем открытыми активными системами, т. е. системами, находящимися вдали от термодинамического равновесия. Они обладают способностью к самоорганизации, т. е. могут переходить от простых состояний к сложным, а от них — к еще более сложным. Открытые системы — это такие системы, которые обмениваются веществом и энергией с окружающей средой. Например, все живые системы являются открытыми. Однако большая распространенность в природе отнюдь не делает их простыми для изучения: с точки зрения термодинамики они представляют собой очень сложные объекты для исследования — системы, далекие от равновесия. И в этой области сегодня возникают очень интересные задачи.

Основа открытых систем и главный предмет исследований в этой области — так называемые активные броуновские частицы, т. е. частицы, у которых есть механизм преобразования энергии внешнего источника в энергию кинетического движения. Интерес к активным броуновским частицам связан с тем, что эта модель выглядит универсальной, например, она хорошо описывает поведение частиц в коллоидах, но также пригодна для описания живых организмов — колоний бактерий, косяков рыб, стай птиц и т. п.

Активные броуновские частицы демонстрируют так называемые коллективные явления, явления самоорганизации: они движутся не хаотично, образуют разнообразные структуры. Примеры из живого мира — образование всевозможных вихрей, подобно уже упомянутым косякам рыб, которые закручиваются в определенном направлении и создают очень впечатляющую картину. Есть примеры соответствующего поведения и у бактериальных культур, ну, а в физике такая самоорганизация рассматривается как неравновесный фазовый переход.

Научный ландшафт и потенциальные практические применения

Научный ландшафт здесь чрезвычайно обширный и многообещающий, а в последнее время на эту область стали заглядываться и из области физики плазменно-пылевых систем. Казалось бы, что общего у физики плазмы и колонии бактерий? Однако пылевая система в газоразрядной плазме низкого давления — это та же открытая система. Исследуя явления самоорганизации, т. е. перехода системы ко всё более сложным состояниям, мы получаем возможность описать эти явления с помощью более или менее точной модели — а значит, в перспективе и управлять ими. Хотелось бы отметить, что экспериментальное изучение активных броуновских частиц в пылевой плазме на сегодняшний день практически не проводилось.

Открытыми системами занимаются сильные научные группы по всему миру, и эта деятельность очень заметна и обширна — сюда включаются группы из самых разных областей: химии, биологии, медицины, физики плазмы. Как мы уже упоминали, тематика самоорганизации открытых систем берет начало от работ Ильи Пригожина и его модели диссипативных структур. В последующие годы в этой области активно работали наш соотечественник Юрий Климонтович и профессор Вернер Эбелинг в Германии, ранние работы которого посвящены активным броуновским частицам.

Важный индикатор научного интереса к этой области — статьи в журналах Nature и Science, эта публикационная активность хорошо заметна и показывает, насколько интенсивно идут исследования по этой тематике.

В настоящее время сильнейшие научные группы находятся в Германии — это группа профессора Лёвена из Дюссельдорфского университета, а также группа ученых из Штутгартского университета — у них есть очень хорошие обзоры по тематике активных броуновских частиц. В 2013 году в российском журнале «Успехи физических наук» была опубликована статья «Активные коллоиды» — ее опубликовал Игорь Арансон, который в настоящее время работает в Аргоннской национальной лаборатории (США).

Большая часть потенциальных приложений в этой области связана с биомедицинскими задачами, с возможностью делать активные частицы управляемыми и контролируемыми. Например, в нанохирургии контролируемые миниатюрные частицы позволят выполнять манипуляции в микро- или наномасштабе. Также сегодня говорят и пишут об активных частицах, предназначенных для устранения бляшек на стенках кровеносных сосудов, что имеет большое значение для лечения атеросклероза. Кроме того, это адресная доставка лекарств — возможность переместить лекарство в определенные части организма, а также, скажем, доставить радиоактивные частицы в те места, где в организме находятся злокачественные опухоли. Кроме таких очень понятных и очень актуальных задач есть еще задачи коллоидной химии, которые, впрочем, также связаны с медико-биологическими.

Как создавалась Лаборатория активных сред и систем в МФТИ

Фото ОИВТ РАН
Фото ОИВТ РАН

У Объединенного института высоких температур сегодня есть две базовые кафедры в МФТИ, и каждая из них имеет свою долгую историю. Одна была создана в 1970-х годах, другая — в 1990-х. Кафедры создавались в рамках так называемой системы Физтеха, которая основана на подготовке студентов старших курсов на базовых кафедрах для того, чтобы после окончания университета они могли либо продолжать свою работу в научных институтах, которые эти кафедры учредили, либо работать в любых компаниях и организациях на свой вкус.

За прошедшие десятилетия сильно изменилась система финансирования российской науки: до 1991 года это был государственный бюджет плюс договорные работы, а сейчас очень активно и эффективно работает грантовая система, ориентированная на коллективы численностью около десяти человек — т. е. как раз на лаборатории. Позиции лаборатории как структурной единицы становятся всё более прочными. Отсюда же возникают новые формы взаимодействия базовых организаций, в нашем случае ОИВТ и МФТИ. В основе остается всё та же базовая кафедра, но нужно искать и новые форматы, в которые были бы вовлечены и студенты, и научные сотрудники. Такой формой взаимодействия стала и наша лаборатория, созданная в рамках программы Топ 5−100.

В Лаборатории активных сред и систем, с одной стороны, мы объединили усилия тех, кто работает в наших академических организациях — ОИВТ и Институте им. Н. Ф. Гамалеи; с другой стороны, она располагается на территории кампуса Физтеха, тем самым она территориально удобна для студентов, и это имеет огромное значение. Студентам и логистически, и психологически легче, когда в лабораторию можно просто прийти, познакомиться, обсудить возможные задачи. Их вовлеченность в этом случае идет более интенсивно, и мы показываем им, насколько всё это интересно, полезно и очень увлекательно. Здесь есть фундаментальный интерес и множество исследовательских задач — тематика оказалась очень глубокой и потенциально плодотворной, и это очень помогает, в том числе, популяризовать науку среди студентов.

Когда было объявлено о создании лаборатории, студенты практически сразу проявили большой интерес. Сейчас и студенты, и аспиранты вовлечены в каждое из направлений работ лаборатории. Мы же со своей стороны стремимся сделать эти работы не только научно значимыми, но и привлекательными с точки зрения демонстрации: например, мы уже закупили оборудование, которое позволит сделать многие эксперименты весьма наглядными. Когда студент приходит работать на установке, он должен увидеть своими глазами, что наука — это не только интересно, но и захватывающе красиво.

Формат, в котором создавалась лаборатория, позволил сделать ее не только междисциплинарной, но и межведомственной: здесь объединены те, кто работает в медицине, биологии, физике плазмы. В лабораторию вошли сотрудники ОИВТ, Национального исследовательского центра эпидемиологии и микробиологии им. Н. Ф. Гамалеи, научные сотрудники самого Физтеха. Нам удалось создать уникальное структурное образование, внутри которого над бурно развивающимся научным направлением вместе работают биологи, химики и физики. Это дает нам огромное преимущество уже на старте: мы можем вести исследования в разных направлениях одним и тем же коллективом, обсуждать результаты, выявлять интересные закономерности.

Проекты и их результаты

У Лаборатории активных сред и систем, которая уже активно работает на Физтехе, сегодня четыре базовых направления работы: это коллективные явления в бактериальных культурах, микроводоросли и всё, что связано с управлением ими; частицы в газоразрядной плазме и частицы в криогенных жидкостях. Мы уже получили интересные результаты, и у нас есть понимание, что, продолжая объединять усилия, мы можем сделать прорыв в этой области, лежащей на стыке нескольких научных направлений. В нашей стране пока очень мало работ, посвященных активным средам и системам, — я уже упоминал публикации, которые носят обзорный характер. Других мы пока не видели, хотя, конечно, такая работа может где-то и вестись.

Задачи, связанные с изучением бактериальных культур и управлением ими, очень интересные. Например, мы будем изучать те фазовые переходы в физической модели, которые могут происходить в бактериальных культурах, — это самоорганизация, коллективные явления. Мы пытаемся изучить и описать условия и механизмы воздействия, при которых культура будет демонстрировать, например, вихревые движения — это означает, что мы можем научиться контролировать такую систему. Еще одна интересная задача — использование бактерий для перемещения более крупных частиц в определенных направлениях. Эти частицы имеют небольшие размеры, которые могут составлять десятки микрон, а бактерии применяются в качестве движителей. Это значит, что вы используете активную частицу как своеобразного нано- или микрокиборга, сочетая живое и неживое. Такую систему можно задействовать, например, в биомедицинских приложениях.

Второе направление — микроводоросли, размер которых десятки или сотни микрон. Существует класс микроводорослей, который уже сегодня активно используется в качестве биотоплива. У нас в ОИВТ РАН есть лаборатория, в которой в результате цикла переработки биомассы получают бионефть. Конечный продукт очень впечатляет: можно получить и нефть, и, при последующей переработке, бензин. Такие микроводоросли также служат примером биологически активных частиц — а значит, все задачи, связанные с контролем и управлением ими, попадают в область наших интересов.

Третье направление посвящено активным частицам в газоразрядной плазме — плазме низкого давления. Те работы по активным средам и системам, которые к настоящему времени были опубликованы, относятся в основном к жидким системам. То, что мы делаем сейчас в этой области «со стороны физики», — это создание активных частиц в плазме и одновременно управление системами таких частиц.

Наконец, частицы в криогенных жидкостях: такие эксперименты интересны тем, что частицы оказываются в экстремальных условиях — при температуре ниже двух кельвинов гелий находится в сверхтекучем состоянии (т. е. трение в гелии стремится к нулю), и если в него помещена частица, то характер ее движения будет очень необычным. Эта область тоже мало исследована, и у нас уже есть любопытные экспериментальные результаты.

Работа по всем направлениям идет очень интенсивно: так, наши коллеги из Национального исследовательского центра эпидемиологии и микробиологии им. Н. Ф. Гамалеи уже провели предварительные эксперименты с бактериальными культурами. В свою очередь у нас, Объединенного института высоких температур, есть большой опыт анализа броуновских частиц — мы можем делать записи в очень хорошем разрешении и анализировать движение частиц во времени, т. е. эффективно описывать такую систему. У наших коллег такого задела нет, а мы не можем работать с бактериальными культурами, так что это очень наглядный пример того сотрудничества, о котором я говорил выше. У МФТИ же есть и уникальное оборудование, и большой опыт в моделировании свойств новых материалов. Именно поэтому очень важно, что здесь, в Лаборатории активных сред и систем, организована коллаборация биологов, инженеров, физиков и химиков: каждый из нас привносит в проект свой опыт работы с определенными объектами, свою культуру работы, навыки, умения и опыт.

Олег Петров

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (1 оценок, среднее: 3,00 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: