Инфохимия: как объединить химию, математику и IT
Как отмечает профессор Университета ИТМО Екатерина Скорб, инфохимия — новая экспериментальная область химии, которая изучает хранение и обработку информации на молекулярном уровне. Именно это направление профессор, которая на протяжении своей научной карьеры работала лидером научной группы в Институте Макса Планка и в Гарвардском университете под руководством Джорджа Уайтсайдса (George McClelland Whitesides), начала развивать, когда присоединилась к команде Университета ИТМО.
За два года ей удалось построить в петербургском вузе научную группу инфохимии самооргазизующихся систем. Сегодня группа работает по нескольким направлениям — от создания искусственной клетки до систем программирования бактериальных биопленок, умных динамических материалов и систем диагностики, включаемых светом, изучения и моделирование нелинейных химических процессов.
Кроме того, группа сотрудничает со специалистами из разных областей — экспертами в области математики, IT, робототехники из России и других стран. Например, в октябре 2019 года ученые группы приняли участие в воркшопе, организованном Университетом ИТМО совместно с Ливерпульским университетом. Мероприятие объединило 30 специалистов в области химии, математики, физики, IT, систем управления и робототехники.
Проекты научного Центра Инфохимии
Как подчеркивает Екатерина Скорб, образование Центра стало логичным шагом: за два года научная группа по Инфохимии расширилась до нескольких десятков человек, многие сотрудники реализуют свои независимые проекты, поддержанные РНФ. Сегодня в составе центра работает порядка семи-восьми научных групп.
«Мы преследуем амбициозные цели и работаем в направлении создания искусственной клетки, а также в целом использования супрамолекулярной химии для кодирования информации. На одной из конференций мы разговаривали с лауреатом Нобелевской премии Жан-Мари Леном, и, несмотря на то, что он давно из-за большой занятости не вступает ни в какие advisory board, он официально написал нам письмо поддержки, где выразил заинтересованность в наших идеях. Кроме того, у нас появились также индустриальные заказчики, в частности на систему сенсорики и персонализированной диагностики», — рассказывает профессор.
Центр развивается по двум направлениям: фундаментальному и прикладному. Однако оба направления связывает работа в области нелинейных сложных химических процессов.
Фундаментальное направление представлено исследованиями в области разработки искусственной клетки и химического компьютера. Эти работы поддержаны в том числе РФФИ и РНФ.
Прикладное направление включает проекты, направленные на разработку новых подходов в сфере персонализированной диагностики и питания — по этим исследованиями ученые Центра сотрудничают с профессором, доктором медицинских наук Анатолием Скальным. Также в это направление входит разработка сенсоров для анализа ранних стадий мочекаменной болезни (проект поддержан РНФ).
«Такие проекты на самом деле тоже можно назвать фундаментальными, поскольку в процессе исследования вы собираете большое количество данных. Специально для этого мы написали программу, благодаря которой они будут аккумулироваться. Сейчас мы изучаем разные аспекты, как их необходимо собирать, хранить, анализировать. По этому направлению мы также сотрудничаем с IT-специалистами. Университете ИТМО, пожалуй, лучшее место, где можно создавать такие коллаборации. Диагностика — это именно то поле, где мы чувствуем потенциал для развития: нам удалось собрать интердисциплинарную команду, благодаря которой можно собирать эти данные и в дальнейшем прогнозировать определенные процессы», — рассказывает Екатерина Скорб.
Кроме того, уже в следующем году в Центре планируется открыть новую магистерскую программу, обучение на которой будет строиться на основе селективных модульных курсов. Курсы будут читать в том числе приглашенные профессора из зарубежных университетов. В рамках программы студентам будут даваться не только знания в области химии, но и сильная математическая база.
Наука и искусство: как химия может стать частью художественного проекта
Помимо научных исследований, ученые активно вовлечены и в другие интердисциплинарные проекты, в том числе в сфере Art&Science. Например, специалистам уже удалось реализовать проект совместно с Высшей школой светового дизайна ИТМО. Результатом стало разработка автономного устройства — робота, чувствительного к свету.
А в этом году Екатерина Скорб стала одним из спикеров на Art&Science Day Skolkovo, партнером и куратором научной программы которого выступил Центр Art&Science Университета ИТМО. Именно здесь она и познакомилась с командой крупнейшего фестиваля уличного искусства «Стенограффия».
За десять лет на базе лаборатории в Екатеринбурге художники реализовали целый ряд проектов: робот-принтер наносил на стену фреску по эскизу нейросети, забор оживал звуками из симфонии Рахманинова, реальные объекты вырезались с помощью Photoshop из действительности и не только. В своих работах команда нередко использует новые материалы и технологии. Один из проектов художники создали в память о подлодке К-141 «Курск»: на опорной стене набережной городского пруда проявлялась одиннадцатиметровая надпись «Курск», которая не поддавалась воздействию воды (работа создана с помощью водоотталкивающей аэрозоли).
Накануне команда «Стенограффии» посетила лаборатории химико-биологического кластера, где ближе познакомилась с проектами научной группы Инфохимии самоорганизующихся систем. Кроме того, художники своими руками попробовали запустить целую систему — образование колец из серебра в агаре. По итогам общения у художников и ученых появилась идея нового проекта.
«Проект находится на стадии разработки. Но согласно основной концепции, которую мы обсудили, это будет картина, которой сначала словно не существует, то есть зритель ее не видит, а потом она вырастает будто бы из ничего. Мы будем отвечать за всю “научную часть”, концепция работы останется за ребятами из Стенограффии, — рассказывает Екатерина Скорб. — Если объяснять с точки зрения науки, такую систему можно реализовать фактически за счет выпадения осадка, которое происходит во времени и контролируется диффузией. Продукты реакции при этом меняют цвет. Это можно сравнить с искусством фотографии, в котором на самом деле заложено очень много химического труда».
Как подчеркивает профессор Университета ИТМО, такие проекты интересны ученым, так как могут вызвать интерес публики к живой химии. Уже сегодня химико-биологический кластер открыт для любого, кто интересуется наукой. Например, нередко научные лаборатории посещают школьники.
«Я в первую очередь ученый, но мы открыты к любым проектам и возможностям, которые позволят нам рассказать и показать то, насколько наука — замечательная область. Мы с ребятами регулярно выступаем на различных площадках, показываем, что делаем. Это важно, поскольку общество должно понимать, чем занимаются ученые и какие проекты оно фактически финансирует», — говорит Екатерина Скорб.
