Как в Университете ИТМО зарождались лазерные технологии, а когда начала развиваться биоинформатика — ученые вспоминают историю вуза

Создание первой в стране лаборатории лазерных технологий

Вадим Вейко, профессор факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники, руководитель международной научной лаборатории лазерных микро- и нанотехнологий и систем, лауреат Госпремии СССР, заслуженный деятель науки РФ

Лазерные технологии — область, в которой я работаю — начали развиваться в ЛИТМО в 1965 году. В это время сюда из «Дома Советов» на Московском проспекте переехала научная группа, в которой работали я и М.Н. Либенсон. Нам тогда дали трех дипломников кафедры квантовой электроники, ей тогда заведовал профессор К.И. Крылов, и одного механика. Так в ЛИТМО была создана первая лаборатория Лазерных технологий в вузах СССР.

Надо сказать, что К.И. Крылов еще в 1963 году обратил внимание на изобретение лазеров, организовал студенческий кружок, посвященный этой теме, а затем создал кафедру в ЛИТМО. Работы в лаборатории шли полным ходом, через 10 лет на ее базе приказом двух министров — Высшего образования и Электронной промышленности — была создана отраслевая лаборатория, перед которой были поставлены пионерские задачи по созданию лазерных технологий для микроэлектроники. Приказ о создании лаборатории, правда, долго не выходил из министерств, пришлось туда поехать, пройтись с проектом приказа по кабинетам и в результате привезти его «с лимитами по труду и фондами по зарплате» на 10 человек. К немалому удивлению всех (и меня в том числе) через два месяца в вуз пришел еще один Приказ с другим номером — еще на 10 человек.

С 1976 года мы вели крупные работы по лазерной обработке тонких пленок, за что были отмечены Премией Президиума АН СССР в области фундаментальных проблем микроэлектроники, двумя Премиями Минвуза СССР. К 1985 году мы завершили разработку научных основ этого направления, были выпущены и внедрены на заводах страны тысячи установок, в том числе Кварц-2, 4 и 5, разработки ЛИТМО. За комплекс этих работ нам была присуждена Госпремия СССР в области науки и техники.

Активная работа

Наша лаборатория активно работает до сих пор, пройдя все трудные времена. В 2010 году наша работа была отмечена Премией Правительства РФ в области образования. На базе лаборатории создана и признана ведущей в стране научная школа по «Фундаментальным основам Лазерных микро- и нанотехнологий», не так давно ей исполнилось 50 лет. За это время сотрудниками Школы подготовлено более 50 кандидатов и пять докторов наук.

В лаборатории сейчас работает коллектив молодых постдоков, открыт и разрабатывается ряд совершенно новых лазерных процессов.

Среди них:

• «Лазерно-индуцированная микроплазма как эффективное орудие создания новых средств управления световыми пучками»,
• Сверхразрешающая запись дифракционных оптических элементов методом лазерной термохимии»,
• «Эффективное управление материальными потоками на базе методов лазерной маркировки и считывания» и так далее.

И наконец, еще хотелось бы вспомнить одно событие другого рода. Мое личное хобби — альпинизм, и результатом этого увлечения стало появление на картах мира в 2018 году Пика Университета ИТМО, 4729 м над уровнем моря на Памире.

Зарождение и развитие оптической голографии

Игорь Денисюк, руководитель международной научной лаборатории нелинейно-оптических молекулярных кристаллов и микролазеров

В Университете ИТМО я работаю с 2001 года, также в этом вузе на определенном этапе своей жизни работал мой отец Юрий Николаевич Денисюк (известный советский физик, один из основоположников оптической голографии — прим.ред).Так получилось, что научные направления, которые мы привнесли сюда, были начаты во время работы в Государственном оптическом институте: Юрий Николаевич учился в ЛИТМО и был распределен на работу в ГОИ им. С.И. Вавилова.

Задолго до того, как он начал преподавать в стенах этого вуза, он работал в Государственном оптическом институте (ГОИ). Сначала — по разработке систем наведения баллистических ракет с подводных лодок. Поступив в аспирантуру, он получил тему, которая заключалась в проверке интерференционной записи Липпмана. Тема была неисследованная, но при этом актуальная. Работая над ней, как часто бывает, Юрий Николаевич получил новый, неожиданный результат — запись квазиобъемного изображения. А соотнеся с голографией, разработанной Габором и используя новые источники света — лазеры, получил объемную запись — голографию. Это было, вероятно, последнее большое открытие в классической оптике.

Лаборатория голографии была создана в ГОИ, успешно функционировала, но после ему пришлось уйти в ФТИ им. Иоффе. Коллектив еще некоторое время продолжал существовать в ГОИ, после чего перешел в Университет ИТМО, принеся высокую культуру оптических лазерных исследований, голографическую тематику и специальное оборудование. Юрий Николаевич также работал в ИТМО, руководил исследованиями, читал лекции, что оставило свой след до настоящего времени после его смерти.

Гибридные оптические наноструктурированные материалы

Я начал работать в ГОИ с 1979 года, работал для создания военной техники, проводил фундаментальные исследования. Проводя разработку фототермопластической регистрирующей пленки, которая разрабатывалась для применения на военных спутниках, я искал способ получить прозрачные гибкие слои полупроводника — сенсора.

Как нередко бывает, решая эту частную задачу, я еще в 1989 нашел метод синтеза нанокристаллов полупроводников CdS, ZnS, ZnO. Тогда еще не было и названия «нано». Я опубликовал эту работу, и оказалось, что значение открытия много больше, чем я думал.

Позже была создана моя научная школа  «Гибридные оптические наноструктурированные материалы», она внесена в реестр ведущих научных и научно-педагогических школ Санкт-Петербурга. Год создания нанокомпозита (эта работа выполнялась по гранту в 2001 году) был указан как год создание научной школы. Так появилась научная лаборатория, стали проводиться исследования, прикладные работы.

В середине 2000-х я покинул ГОИ и вместе со всем коллективом в виде научной лаборатории перешел на работу в ИТМО. Мы вели лекции, практику для студентов, исследования, посвященные формированию микрооптических элементов методом самосборки, исследования нелинейно-оптических кристаллов. Наш нанокомпозиционный материал оказался пригодным для записи голограмм, это тоже было новым направлением исследований и прикладных работ.

Эстафета поколений

Сейчас мы выполняем два проекта — грант РФФИ «Исследование генерации терагерцового излучения методом оптической ректификации на нелинейном кристалле DAST со сформированной в его объеме решеткой, обеспечивающий квазифазовое согласование и повышение эффективности генерации» и хоздоговорная НИР по разработке тонкопленочных модуляторов света на основе электрооптических кристаллов DAST.

Оба проекта интересны, их результаты важны для науки и техники и что еще важно — их выполнение обеспечивает существование международной лаборатории. Скоро исследования продолжат мои ученики — Елизавета Шекланова и Мария Фокина, они рядом со мной много лет, так передается эстафета поколений. Они уже стали серьезными исследователями, выигрывают гранты, руководят коллективами. Время бежит и это естественно, так и должно быть.

Метаметриалы: от исследований в новом направлении до создания ведущего международного научного центра          

Ирина Мельчакова, руководитель Международной научной лаборатории прикладной радиофизики, доцент физико-технического факультета, начальник отдела международных научных исследований

Еще 15 лет назад, когда я и мои коллеги только начинали свою исследовательскую деятельность, мы даже не думали, что наша работа приведет к созданию целого подразделения, научного центра — физико-технического факультета. В 2004 году у меня был радиофизический проект под руководством Константина Руфовича Симовского, после чего я поступила в аспирантуру. Я училась на естественнонаучном факультете, а Константин Руфович преподавал на кафедре физики. В это время у Константина Руфовича был еще один ученик Павел Белов, который занимался исследованиями в молодой области — метаматериалах.

Как мы помним, в конце 90-х- начале 2000-х наука была в непростом состоянии: выиграть гранты, получить финансирование было очень тяжело. Мы работали во многом благодаря научным проектам с коллегами из Финляндии, выполняли изыскания для компании Nokia. В 2009 году Павел Белов получил один из первых российских грантов по метаматериалам.

А в 2010 году мы получили мегагрант, предполагавший создание лаборатории. Это стало отправной точкой для бурного развития, которое пошло в последующие годы. Мы искали новых людей, каждый из них собирал группу вокруг себя, возникал лавинообразный эффект, в результате которого мы стали крупным научным центром с образовательной и научной составляющей.

Сейчас, когда я смотрю на наших ребят — аспирантов, магистрантов — немного завидую им. У них есть интересная среда, много других аспирантов, с которыми можно на равных обсуждать вопросы, когда у тебя что-то не получается, есть большие возможности как для учебы, так и для развития в науке.

За прошедшие 15 лет мы работали во многих направлениях. Лично для меня особенно интересен проект по метаматериалам для увеличения эффективности магнитно-резонансной томографии. Почему я выделяю именно его? Он начинался с фундаментальных исследований, а сейчас, пройдя все стадии, дошел до создания конкретных катушек для МРТ-аппаратов. Было много других работ — по гиперболическим метаматериалам, по диэлектрической нанофотонике, перовскитной фотовольтаике. Наша гордость — публикация в журнале Science совместной статьи, в которой первым автором выступил наш аспирант Кирилл Кошелев.

Сейчас мы понимаем, что неплохо делаем научно-исследовательскую работу, но нам хотелось бы расширить свои компетенции, больше делать опытно-конструкторских работ. Мы находимся в поиске стабильных индустриальных партнеров, пытаемся понять, что им нужно, как мы можем помочь им, используя свои фундаментальные знания.  

Биоинформатика: от первых исследований до создания научно-образовательного центра вместе с ведущими мировыми исследователями

Алексей Сергушичев, директор научно-образовательного центра геномного разнообразия, руководитель группы биоинформатики международной лаборатории «Компьютерные технологии»

Первые исследования в области биоинформатики начались с конца 2009-начала 2010 года. В конце ноября 2009 года в ИТМО по инициативе Анатолия Абрамовича Шалыто приезжал Егор Борисович Прохорчук из команды академика РАН Константина Георгиевича Скрябина. На встрече со студентами кафедры «Компьютерные технологии» он рассказал про геномы и связанные с этим задачи биоинформатики. В результате в качестве дипломных работ этой темой начали заниматься несколько наших студентов (Михаил Дворкин, Владислав Исенбаев и Евгений Капун). Позже этой задачей занялся я и мои одногруппники (Антон Александров и Сергей Казаков), под руководством чемпиона мира по программированию Федора Царева.

Ключевым этапом в развитии этой области стал 2013 год. В конце этого года мне удалось съездить на стажировку в Вашингтонский Университет в Сент-Луисе к тогда еще начинающему исследователю, а теперь профессору Максиму Артемову. Тогда же, мой одногруппник Владимир Ульянцев, а сейчас директор лаборатории «Компьютерные технологии», съездил на стажировку в группу Дмитрия Алексеева в НИИ физико-химической медицины.

В этом же году ИТМО очень удачно вошел в «Программу 5-100», которая позволила нам оставаться в университете и заниматься этой перспективной областью. Примерно с тех же пор мы стали вести и образовательную деятельность в виде ежегодного семинара по системной биологии, который в 2018 году перерос в магистратуру по биоинформатике и системной биологии.

В результате у нас сформировалось несколько направлений, по которым наши исследования выполняются на самом высоком мировом уровне: анализ данных в иммунологии и раке, метагеномика, сравнительная геномика, по которым у нас выходят статьи как в ведущих профильных журналах по биоинформатике, так и в ведущих биологических журналах, включая Cell, Nature и Science, а нашими программными инструментами пользуются тысячи ученых по всему миру.

Перспективы и актуальные задачи

Сейчас одна из главных задач — организационная: за последнее время наша команда сильно выросла, что требует адаптации форматов работы. А с точки зрения науки я бы выделил несколько направлений.

Во-первых, это наши исследования по методам интерпретации результатов полногеномного анализа ассоциаций, выполняемых совместно с лабораторией Марка Дейли в Институте Броада. Хоть это и довольно давно существующая задача, сейчас появляется шанс сделать прорыв в этой области за счет использования больших объемов публичных методов и их анализа с помощью эффективных вычислительных методов.

Во-вторых, это систематический анализ открытых баз данных экспрессии генов. У нас уже есть отдельные инструменты по поиску, визуализации и анализу таких данных, но теперь все эти инструменты необходимо объединить в единую платформу, чтобы дать возможность биологам со всего мира простой и полезный доступ к имеющимся массивам данных.

И в-третьих, это развитие недавно появившегося у нас направления по геномике животных, в частности исчезающих видов, под руководством профессора Стивена О'Брайена и наращивание экспертизы в области геномики человека.

Инфохимия: старт нового направления на стыке наук

Екатерина Скорб, руководитель научно-образовательного центра инфохимии, профессор химико-биологического кластера Университета ИТМО

Сегодня существует тенденция рассмотрения важных проблем с привлечением интердисциплинарных областей. Она привела к тому, что в лучшем IТ-университете — Университете ИТМО — возник НОЦ Инфохимии, где одно из основных направлений деятельности университета — информационные технологии — рассматривается в совершенно для него новом направлении: на молекулярном уровне и в химических системах.

Инфохимия — область фундаментальной экспериментальной химии, формирующаяся на пересечении химии, биологии, компьютерных технологий, робототехники и математики. Она изучает возможность записи, хранения и обработки информации на молекулярном уровне, роботизацию и цифровизацию химических технологий. В НОЦ Инфохимии работают по нескольким направлениям — от создания искусственной клетки до систем программирования бактериальных биопленок, умных динамических материалов и систем диагностики, включаемых светом, изучение и моделирование нелинейных химических процессов, роботизации и цифровизации химических технологий и материаловедения.

Я более десяти лет вела исследовательскую работу в Институте Макса Планка, где в последние годы руководила группой исследователей с целью разработки нового поколения биоматериалов. В 2016-2017 годы я работала в университете Гарварда, в составе группы самого цитируемого химика Джорджа Уайтсайдса с индексом Хирша более 220. С 2017 года я переехала в Россию на должность профессора в Университет ИТМО, продвигая новое научное направление Инфохимии как в научном плане, так и в рамках подготовки студентов и магистров, организации летней и зимней научных школ, стажировок и даже участие в программе «Наука и Искусство».

Перспективы и актуальные задачи

Планы развития нашего центра в первую очередь лежат в работе над прорывными решениями больших вызовов, которые сегодня существуют в мире. Для этого НОЦ Инфохимии Университета ИТМО включен в международные консорциумы с другими ведущими университетами мира и ключевыми исследовательским институтами: Макс Планк обществом, университетом Гарвард, Университетом Сингапура и другими.

Научный консультант НОЦ Инфохимии — Нобелевский лауреат по химии Жан-Мари Лен — поддерживает все амбициозные идеи по развитию прорывных решений кодирования, хранения и обработки информации на молекулярном уровне. Более того, подготовка студентов, магистрантов и аспирантов по принципу «Образование через науку» дает свои результаты: молодые исследователи подключены к решению важных задач с самых первых дней обучения в университете. Ведется работа и со школьниками. Безусловно, данное направление будет дальше развиваться и в других центрах России и мира, однако Университет ИТМО навсегда останется лидером в этом интердисциплинарном направлении.