Никак друг без друга в бионанофотонике
«У нас есть немало статей и перспективных результатов в области нанофотоники. Это способствует тому, что за рубежом наши работы знают и цитируют. Начиная с 2015 года наша лаборатория работает в этой области со швейцарскими партнерами из ETH Zurich, проект ведет наш коллега Михаил Петров. Дело дошло до того, что теперь и у немцев из Марбургского университета возник интерес развивать вместе с нами данное направление на основе нашего оптического бэкграунда. Действительно, для изучения процессов в живых клетках вместе мы можем задействовать весь потенциал нанофотоники в перспективах биофотоники», — рассказывает Сергей Макаров.
В первую очередь в рамках сотрудничества зарубежных специалистов интересует возможность развития таких технологий, как помещение наночастиц в живые клетки, чтобы они могли выполнять определенные функции — например, транспортировку в клетку лекарств. Другим примером использования наночастиц является лечение рака: когда наночастицы в специальной протеиновой «обертке» вводятся в организм, они оседают в раковых клетках. После этого их облучают светом, чтобы наночастицы нагревались внутри больных клеток и буквально «взрывали» их изнутри. Применение оптики в этом случае помогает установить, какого размера и из какого материала нужны наночастицы для таких целей, каким лазером их нужно облучать. При помощи подобной методики можно также открывать микрокапсулы с лекарствами внутри клетки. Это и побуждает западных ученых исследовать разнообразные оптические эффекты, которые могут быть реализованы при помощи наночастиц. В рамках международной коллаборации российские исследователи занимаются оптическим аспектом, а немецкие — биологическим.
По словам Сергея Макарова, исходя из существующих реалий, область бионанофотоники является по-настоящему междисциплинарной — она сочетает в себе такие глобальные дисциплины, как химия, инженерия, био- и лазерная физика. Сложность вызовов, которые стоят перед человечеством, подталкивает к необходимости взаимодействия научных групп из различных направлений — противостоять современным проблемам с помощью одной лишь физики или химии невозможно.
«Одним из перспективных направлений для междисциплинарного взаимодействия является создание систем экспресс-скрининга. Это стало крайне востребовано после проблем с Эболой, когда диагностика в полевых условиях была затруднительна. При этом врачи не могли быстро выявлять это заболевание, а у ученых не получалось быстро создать прототип вакцины, так как работы велись стандартными методами. В ходе нашей поездки в Германию удалось достигнуть договоренности о совместной работе с группой из Технологического университета Карлсруэ, работающей над технологией параллельного быстрого скрининга. В этой группе работают химики и биологи, и их очень заинтересовал наш опыт в области создания компонентов нанофотоники. Учитывая сложность и важность решаемой задачи, наша потребность друг в друге стала очевидной», — поясняет Дмитрий Зуев.
Как рассказывает ученый, лаборатория готова помогать коллегам в Карлсруэ в создании компактных систем для медицинской диагностики при помощи уникального оборудования Университета ИТМО. Помимо медицинских применений, разрабатываемая технология в перспективе может быть адаптирована для проведения лабораторных исследований в области химии, биологии и экологии. Последнее особенно актуально в случае техногенных катастроф, когда нужно быстро установить разновидность загрязняющего вещества. У сотрудников кафедры нанофотоники и метаматериалов также есть опыт в сфере биосенсорики: не так давно ими была опубликована работа о детектировании сверхмалых концентраций веществ, отмечает Сергей Макаров. Несмотря на то, что тестирование проводилось в лабораторных условиях, уже можно говорить, что такие технологии можно будет применять в аэропортах. Чтобы вычислить злоумышленника, достаточно будет обнаружить запрещенные или опасные вещества даже в очень маленькой концентрации. Наночастицы служат сверхчувствительными щупами, которые, поймав определенную молекулу, заставляют ее ярко светиться и делают ее легче детектируемой. Чтобы делать успехи в таких направлениях и дальше, нужно междисциплинарное сотрудничество, и публикации российских ученых в журналах с высоким импакт-фактором способствуют этому.
Дмитрий Зуев отмечает, что проблем при междисциплинарном взаимодействии практически не возникает, так как уровень подготовки позволяет коллегам доступно объяснять друг другу основные концепции различных областей науки. Но лучше всего, когда находятся специалисты, которые могут стать соединяющим звеном между представителями разных дисциплин, — например, физиков и биологов объединяют биофизики. В Университете ИТМО есть как сильная оптическая школа, так и хорошие химические и биологические лаборатории. Поэтому в вузе назрела необходимость создания лаборатории по бионанофотонике, которая могла бы работать на мировом уровне. Одним из примеров устройства биокластера в техническом вузе в России, является МФТИ, отмечает Сергей Макаров, где физики из разных областей работают вместе с биологами.
«Недавно у нас вышли статьи в Nano Letters и в Advanced Materials, посвящённые области нанофотоники. Однако теперь, используя компетенции зарубежных коллег, мы можем дальше развивать направление бионанофотоники. У нас есть отделение диэлектрической нанофотоники, возглавляемое Александром Красноком. А биофотоника — одно из наиболее перспективных направлений, где мы можем реализовать наш потенциал. Сейчас публиковать статьи с высоким импакт-фактром еще проще, когда предметом исследования является биологический объект», — замечает Сергей Макаров.
Хороший тон в вузах Европы
Также Дмитрий Зуев и Сергей Макаров приехали с визитом в Университет Аалто в Хельсинки к давним партнерам, чтобы узнать, какие новые возможности появились у коллег. Например, одним из достоинств финского вуза является так называемый нанофаб — помещение с высоким классом чистоты, в котором можно работать с полупроводниками и наноструктурами на их основе для наноэлектроники и фотовольтаики. Там можно «вырезать» мельчайшие нанотранзисторы для гаджетов и прочей техники. Несмотря на то, что такое производство требует немалого вложения средств, оно сразу привлекает крупные компании IT-индустрии. Фирмы и кластеры настолько активно используют нанофаб, что эти инвестиции вскоре окупается.
«Казалось бы, если у финских коллег оборудование связано с микроэлектроникой, причем тут мы, оптики? Ведь все полупроводники и металлы бесполезны для создания классических оптических устройств видимого диапазона. Это непрозрачные материалы. Оконные стекла из кремния или из золота не сделаешь. Но в сфере нанооптики из них можно успешно создавать нанорезонаторы, фотоны в них хорошо „задерживаются“ и резонируют, перерассеивая свет в заданном направлении или просто его усиливая. Оказывается, на основе этих материалов и технологий, применяемых в микроэлектронике, можно создавать потрясающие оптические устройства нового поколения. Поэтому взаимодействие с Университетом Аалто нам очень важно. В общем, что в Германии, что в Финляндии иметь нанофабы при вузе — хороший тон, так как без них сложно развивать нанофотонику», — подчеркивает Сергей Макаров.
Сами ученые, размышляя о перспективах лаборатории, утверждают, что нанофаб необходим и в Университете ИТМО, где инновации играют одну из первостепенных ролей. Такие нанотехнологические комплексы решают не только исследовательские задачи, но и позволяют готовить высококлассных специалистов для микро- и наноэлектроники. Ввиду того, что в России активно развивается импортозамещающее инновационное производство, такие специалисты точно будут востребованы на рынке труда, добавляет Дмитрий Зуев. Поэтому неудивительно, что главные посетители Nanofabrication Center — студенты, которые уже к концу бакалавриата могут пойти работать на наукоемкое производство, которое часто может быть организовано при этом же центре. Также немаловажно, что если молодые люди осваивают работу на относительно простом оборудовании, то в будущем они могут заниматься наукой и на более сложных установках. Вдобавок, нанофабы привлекают индустриальных партнеров, которым часто целесообразнее отдать разработку новой технологии на аутсорсинг, чем создавать лабораторию и подбирать подходящих специалистов. Наглядным примером такого взаимодействия служит Дрезденский технологический университет, у которого налажено сотрудничество с компанией AMD, которая заказывает технологию и, если необходимо, поставляет недостающее оборудование. Когда готовая технология уходит к заказчику, у вуза остается оборудование и обученный человек. Таким образом, получается большой и выгодный взаимообмен, отмечает ученый.
Совместная идея с Аалто
Как рассказали ученые, на сайте arXiv.org есть препринт статьи о том, как улучшить солнечные батареи на основе перовскитов — нового направления в фотовольтаике. У профессора Константина Руфовича Симовского из Университета Аалто возникла идея использовать наработки Университета ИТМО, чтобы внедрять наночастицы в слой активного фотоэлемента, где происходит генерация солнечной энергии. Они пригодятся для того, чтобы свет эффективнее задерживался в тонком слое фотоэлемента. Таким образом, за счет улучшенного поглощения фотонов выше становится оптический КПД.
«Технология, которую мы активно развиваем на нашем оборудовании, — так называемая лазерная печать наночастиц, когда каждый лазерный импульс выбивает одну частицу не спонтанно, а целенаправленно в определенное место. Идея была в том, чтобы в новейшие перовскитные солнечные батареи внедрить наши нанотехнологии. Работа в этом плане пока находится на концептуальном теоретическом уровне „что будет, если…“. Наши коллеги сделали расчеты, увидели повышение эффективности на несколько процентов, что очень много для фотовольтаики. Эта концепция, уверен, будет реализована в ближайшие пару лет», — пояснил специалист.
Сергей Макаров также добавил, что подобными технологиями печати частиц, помимо Университета ИТМО, владеют всего несколько лабораторий в мире. В свою очередь, над созданием перовскитных батарей также могут работать не так много специалистов. Удачный исход идеи во многом зависит от скорости совместной реализации технологии петербургскими и финскими учеными, а они не сомневаются в успехе.
