Открытие
На торжественной церемонии по случаю открытия XFEL были запущены первые два эксперимента, в которых рентгеновское излучение на свободных электронах будет играть важнейшую роль. Так, с помощью первого ученые показали, как можно изучать быстрые реакции, в частности, взаимодействие определенных молекул с водной средой. Второй эксперимент был нацелен на то, чтобы «расшифровать» структуру молекулы.
В мероприятии участвовали представители 12 стран, которые внесли свой вклад в строительство мегаустановки. Гости церемонии, в том числе министры европейских правительств, подчеркнули, что XFEL – это проект, направленный на развитие международной науки и самых актуальных научных проектов.
«Открытие действительно было очень вдохновляющим. Помощник президента Андрей Александрович Фурсенко в своем выступлении сказал, что весь мир ждет новых открытий, потому как возможности, которые открывает XFEL, безграничны и уникальны. Кроме того, все выступающие отмечали, что проект был сделан в оговоренные сроки и не вылез за рамки запланированного бюджета. Также было здорово спуститься под землю в туннель, на 20 метров вниз, и своими глазами увидеть лаборатории, где скоро свершится не одно научное открытие. Также мы продуктивно пообщались с нашими партнерами из Германии и России», – прокомментировала Дарья Козлова.
Что происходит в XFEL?
Основными составляющими мегаустановки, в которой генерируется когерентное рентгеновское электромагнитное излучение высокой интенсивности, являются линейный ускоритель электронов и система магнитных ондуляторов, расположенных в подземном туннеле протяженностью три с половиной километра. Пучки электронов в сверхпроводящем линейном ускорителе ускоряются до высоких энергий, а затем попадают в магнитные поля ондуляторов, где движутся по искривленным траекториям, излучая в рентгеновском диапазоне. Рентгеновские импульсы, получаемые в результате этих процессов, характеризуются очень короткой длительностью (сотни фемтосекунд) и высокой интенсивностью излучения, значительно большей в сравнении с получаемой на других устройствах – например, на синхротронах.
В рамках первого пуска установки, который состоялся 4 мая, ученым удалось получить лазерные пучки с частотой генерации один импульс в секунду. Сейчас, когда установка полностью готова к работе, туннель, в котором осуществляется разгон электронов и генерация рентгеновского излучения, полностью закрыт. Он залегает под землей на глубине от шести до 38 метров.
Что это в итоге дает?
Во-первых, рентгеновское излучение имеет очень короткую длину волны, поэтому с его помощью можно «разглядеть» объекты на атомном уровне. Сделать это с помощью обычного оптического микроскопа нельзя, так как длина волны видимого света больше, чем размеры таких объектов. Во-вторых, рентгеновские импульсы-вспышки будут очень и очень быстрыми, поэтому получится наблюдать сверхбыстрые процессы, например, образование межатомных связей в ходе химических реакций. При этом, они будут «записываться» покадрово, как кино. В-третьих, с помощью рентгеновских вспышек ученые смогут создавать и изучать вещества в экстремальных условиях по типу тех, которые есть в недрах Земли или внутри звезд.
В каких областях это будет полезно?
В первую очередь, в медицине и химико-биологических исследованиях. Под действием рентгеновского излучения молекулы веществ взрываются, поэтому очень трудно получить информацию о пространственном состоянии молекулы. В XFEL рентгеновские вспышки будут настолько быстрыми, что удастся детектировать состояние молекулы до ее полного разрушения с помощью построения дифракционных картин, которые будут показывать распространение рентгеновских волн после их «столкновения» с молекулами. Таким образом, рентгеновские вспышки позволят ученым расшифровать структуру еще большего количества биомолекул и биологических объектов, таких как клетки или мембраны, изучать биохимические реакции в действии.
Например, ученым до сих пор не ясно, как происходит процесс складывания белка из линейной цепочки молекул аминокислот. Нередко процесс происходит неправильно, что связано со многими болезнями: сахарным диабетом, болезнями Альцгеймера и Паркинсона. Кроме того, мегаустановка позволит лучше изучить природу вирусов и создать основу для будущих лекарств. Благодаря XFEL также удастся исследовать новые технологии и материалы для освоения солнечной энергии, анализировать свойства различных материалов для получения новых композитов, а также детально исследовать наноматериалы.
Как будет организована работа на XFEL
Вклад России в строительство XFEL составляет 27%, Германии – 58%, остальные страны-участницы проекта вложили от 1% до 3%. Такое активное участие России в строительстве позволит отечественным ученым существенно влиять на планирование научной работы на мегаустановке, определять направления проводимых там исследований. Ведь главный ресурс установки – время работы с рентгеновским пучком – будет использоваться с учетом вклада стран в создание XFEL.
Работа российских ученых на установке осуществляется под эгидой национальной научно-образовательной ассоциации «Исследовательские установки МЕГА-класса», которая координируется национальным исследовательским центром «Курчатовский институт». Университет ИТМО является участником ассоциации. Главная задача ассоциации – готовить проекты для их реализации на XFEL и других мегаустановках.
Сейчас по всему миру в ведущих научных институтах создаются центры по подготовке проектов для XFEL. Так, еще в 2015 году в Университете ИТМО было организовано новое подразделение – Транснациональный научно-образовательный UniFEL-центр перспективных методов исследования материалов. Для этого между Университетом ИТМО и Техническим университетом Фрайберга (TU Bergakademie Freiberg) было заключено соглашение о сотрудничестве. Российские и немецкие ученые будут совместно готовить материалы для дальнейших экспериментов на XFEL, а также разрабатывать совместные образовательные магистерские и аспирантские программы. В ближайшее время должен быть объявлен конкурс среди научных организаций на использование пучкового времени мегаустановки.
Проекты Университета ИТМО для XFEL
Университет ИТМО намерен участвовать в конкурсе с двумя проектами. Первый – это изучение фотокаталитической активности коллоидного раствора наночастиц бисиликата серебра. Фотокатализ – это ускорение химической реакции за счет одновременного воздействия определенного химического вещества (катализатора) и света. Ученые Университета ИТМО обнаружили, что в растворе наночастиц бисиликата серебра происходит реакция окисления железа. С помощью рентгеновского лазера исследователи планируют проследить динамические изменения в структуре фоточувствительного наноматериала.
Второй проект – это исследование полупроводниковых нанопроволок. Такие наноматериалы могут найти применение в устройствах интегрированной кремниевой оптоэлектроники. Однако для того, чтобы начать разрабатывать практические приложения для нанопроволок, необходимо более детально изучить различные физические процессы, которые происходят при их формировании и модификации. Это можно будет сделать на установке XFEL.
«Условия отбора научных групп для реализации их проектов на XFEL пока точно не известны. Однако, скорее всего, рассмотрением заявок будет заниматься экспертный совет, состав которого будет выбран комиссией XFEL и который будет, вероятно, засекречен, чтобы защитить экспертов от возможного давления», – прокомментировал руководитель UniFEL-центра, заведующий кафедрой современных функциональных материалов Алексей Романов.
Контакты вуза с XFEL
В середине лета научная делегация Университета ИТМО уже посетила XFEL, где ознакомилась с устройством мегаустановки на рабочей встрече, организованной научным директором XFEL и соруководителем UniFEL-центра Сергеем Молодцовым. Также делегация обсудила перспективы возможного сотрудничества с председателем совета директоров мегаустановки, доктором Робертом Фейденханслом (Dr. Robert Feidenhans'l). Оказалось, что доктор Фейденхансл является экспертом в области исследований физико-химических свойств нанопроволок.
Участие Университета ИТМО в работе европейского рентгеновского лазера – это не только возможность для ученых вуза реализовывать свои эксперименты на мощнейшей мегаустановке. Обучающиеся вуза также смогут участвовать в работе UniFEL-центра перспективных методов исследования материалов и готовить проекты для XFEL, подчеркнул Алексей Романов. Для работы на лазере будут выбираться самые инновационные и перспективные проекты, находящиеся на переднем крае науки.
