Физик Татьяна Орлова — о новых материалах для мягкой робототехники и работе в трех европейских странах

— Почему вас интересует именно направление жидких кристаллов?

— В принципе я работала с ними всё время. Начиная ещё с аспирантуры, я занималась фотохимией примесных хиральных молекул в мягкой конденсированной среде, то есть в основном в жидких кристаллах. В качестве примеси мы использовали провитамин D, который содержится в коже человека, с него начинается процесс синтеза витамина D под воздействием солнечного света. Вместе с руководителем моей аспирантуры мы хотели создать жидкокристаллический сенсор, чтобы протестировать, насколько полезны искусственные и природные источники света для накопления витамина D. Но когда мы стали разбираться в механизмах реакции провитамина D в жидких кристаллах, оказалось, что, в отличие от кожи, в них все происходит совсем по-другому. Поскольку молекула хиральна (зеркально несимметрична) и под действием света она превращалась в ряд изомеров, это влияло на оптические и структурные свойства жидкого кристалла. Поэтому в какой-то момент мне стало интереснее развивать именно это направление, а не фотохимию и фотоизомеризацию. Этим же проектом я и продолжила заниматься за границей.

— В течение многих лет вы сотрудничали с несколькими европейскими учебными заведениями. Расскажите подробнее о работе за рубежом.

— Я начала работать с иностранными университетами с 2013 года. Первый раз я участвовала в шестимесячной программе для молодых ученых, организованной Институтом исследования рака при больнице Университета Осло. Тогда я ещё продолжала изучать витамин D, и к моему исследованию присоединились медики и биофизики. Они занимались этим вопросом с точки зрения здоровья человека, а со своей стороны я показала им инструментарий из области физики, методы исследования и оценки.

Следующая поездка состоялась спустя два года. Коллеги подсказали мне, что ученый из университета Бордо, занимающийся жидкокристаллическими свойствами и структурами, которые индуцируются светом, ищет специалиста, который мог бы заняться экспериментами по этой теме. Мы начали общаться, выиграли совместный грант по программе Erasmus, и я уехала. С тех пор моя работа почти всегда строилась по схеме: подача заявки, получение гранта и поездка в другую страну для исследований. Например, спустя два года я вернулась в ту же исследовательскую группу университета Бордо с грантом имени Марии Склодовской-Кюри. К слову, я до сих пор продолжаю с ними сотрудничать.

— Что дал вам этот опыт?

— Конечно, это полезно. С точки зрения профессионального развития такие поездки — это своеобразная точка притяжения: в исследовательские группы входили разные специалисты, и у каждого из нас взгляды на один и тот же вопрос и навыки работы отличались.

С точки зрения повседневной жизни такой опыт тоже интересен, потому что одно дело ― поехать в другую страну на неделю как турист и совсем другое — жить там несколько месяцев или лет и успешно влиться в общество. Во всех странах, где я была, есть офисы поддержки иностранных сотрудников наподобие офиса в ИТМО. Сотрудники этого подразделения помогают устроиться на месте, например подготовить документы, найти жилье, решить разные административные вопросы. Примерно через полгода я обычно начинаю понимать правила жизни в стране. И, конечно, после поездок я нашла много друзей и расширила сеть профессиональных знакомств.

— Что бы вы посоветовали молодым ученым?

— Не стесняйтесь участвовать в разных коллаборациях, подавать заявки на проекты и не опускайте руки. Я знаю людей, которые пытались несколько раз выиграть грант имени Марии Склодовской-Кюри. Нужно сказать, что отбор в этом конкурсе очень жесткий: проходят только примерно 6% лучших проектов. Так что бывает, что у ученых не получается выиграть с первого раза, они разочаровываются и сразу сдаются. Да, они продолжают заниматься наукой, но без прежнего запала. Но надо научиться постоянно пробовать, не сдаваться.

— Как вы узнали о программе ITMO Fellowship & Professorship и почему решили участвовать?

— В 2019 году на конференции в Швейцарии я познакомилась с Екатериной Скорб, директором Научно-образовательного центра инфохимии (НОЦ Инфохимии). Она очень интересно рассказала мне о программе, возможностях центра и исследованиях, которые проводятся в университете. Когда в декабре 2020 году я приехала в ИТМО, мы начали с того, что вместе с другими сотрудниками организовали лабораторию для группы «Структурированная и динамическая мягкая материя».

Самостоятельно руководить собственным проектом на постоянной основе — это, конечно, совсем другой уровень, если сравнивать с ситуацией, когда нужно каждый раз менять исследовательскую группу и страну. И мне кажется, это тот уровень, к которому должен прийти каждый ученый. Конечно, есть люди, предпочитающие оставаться на рядовых должностях, но, наверно, многие, как и я, хотят попробовать руководить своей группой и открыть новые направления.

— Какие проекты вы развиваете в ИТМО?

— После приезда много времени ушло на организацию лаборатории: на ремонт, закупку оборудования и его установку. С лета 2021 года почти всё было готово, а уже в сентябре мы начали проводить эксперименты. Ко мне присоединились новые люди из НОЦ Инфохимии — аспирантка первого курса Дарина Дармороз и магистрантка первого курса Анастасия Пивень.

Название «Структурированная и динамическая мягкая материя» мы придумали с заделом на будущее, потому что сейчас мягкая материя, которой мы занимаемся, — это только жидкие кристаллы. Слово «динамическая» появилось после того, как в 2018 году мы с коллегами из университета Бордо опубликовали статью о первой индуцированной светом динамической структуре в жидком кристалле, которая непрерывно движется, пока на нее попадает свет. Это перспективное исследование для развития направления микроразмерных транспортных систем, умных материалов и мягкой робототехники, потому что фактически происходит превращение световой энергии в механическое движение. А если говорить о первом слове в названии — все структурировано: эффекты, которые мы наблюдали, связаны с тем, что молекулы жидких кристаллов самоорганизовываются сложным образом в трехмерные локализованные топологические структуры.

— Название исследования, с которым вы пришли на программу ITMO Fellowship & Professorship звучит так: «Самособирающиеся надмолекулярные архитектуры в хиральных мягких конденсированных средах». В чем суть этого проекта?

— Начнем с обсуждения надмолекулярных архитектур. Если в трехмерном пространстве молекулы жидкого кристалла, которые по форме напоминают стержни, располагаются примерно параллельно друг другу и вдоль одного из направлений еще и поворачиваются друг относительно друга, формируется классическая супрамолекулярная спираль хирального нематического жидкого кристалла. В случае однородных жидкокристаллических образцов свойства материала буду определяться только шагом супрамолекулярной спирали и не будут зависеть от исследуемой области образца. Но представьте, что мы отрежем маленький кусочек от трехмерной спирали, похожий на извитой цилиндр, и начнем его как-то неоднородно упаковывать в малой области пространства. Иными словами, простую равномерную спираль мы превратим в сложноупакованную  и пространственно неоднородную. Это дополнительное структурное усложнение, которое возникает на надмолекулярном уровне и которое обеспечивает новую динамику и свойства локализованных супрамолекулярных структур.

Почему эти архитектуры самособирающиеся? Допустим, мы направляем пучок света в малую область образца. Происходит фотохимическая реакция примесных хиральных светочувствительных молекул, изменяется шаг супрамолекулярной спирали, и дальше, как говорится, это выбор жидкого кристалла, как самоорганизоваться в трехмерном пространстве. Мы меняем свойства супрамолекулярной спирали, но дальше формирование надструктуры определяется минимумом свободной энергии жидкого кристалла. Это отличается от подхода формирования надструктур в химии, когда исследователи, например, собирают их, передвигая последовательно каждый ее элемент. В нашем случае все происходит самопроизвольно. Но результат формирования той или иной структуры зависит от свойств самого жидкокристаллического материала и параметров записывающего светового пучка.

Возникает вопрос: где можно применять результаты исследования? Во-первых, в сфере оптики, но это классический вариант для жидких кристаллов. Более интересно второе направление — создание материалов, в которых наблюдается макроскопическое движение при освещении. Сейчас разрабатывают полимеры и эластомеры, применяемые для мягкой робототехники. Например, на цветок, который вырезали из пленки жидкокристаллического эластромера, можно направить пучок света, и он закроется в бутон. Другими словами, пока есть свет, он будет двигаться. Но чтобы заставить цветок раскрыться обратно, нужно либо направить на него свет на другой длине волны или, может быть, нагреть, то есть воздействовать на него новым стимулом. Мы хотим разработать такие динамические системы на основе только светоуправляемых  жидких кристаллов без полимерной составляющей.

Пленочку можно сравнить с роботом на дистанционном управлении, который может что-либо поднимать или передвигать: ее можно повесить в любое место, к ней не нужно подключать никаких электродов — достаточно посветить. Результат исследования можно применить для создания активных композитных материалов, транспортных систем, а также в биологии и медицине.

— Каких результатов вы планируете достичь к концу программы?

— Хотелось бы развивать лабораторию в двух направлениях. Сейчас мы работаем над созданием структур разных типов, наблюдением за их поведением и управлением этими процессами. Дальше мы планируем заняться как оптическими эффектами, так и микроразмерными транспортными системами. Со временем хотелось бы выйти на индустриальных партнеров: в России и других странах есть огромное количество компаний, которые интересуются современными материалами.

— Чем вы занимаетесь в свободное от работы время?

— С сентября я стала ходить на фитнес, потому что работа — это, конечно, замечательно, но странно, если человек не занимается ничем, кроме нее.

Еще с детства я люблю читать. Если мне хочется отдохнуть за книгой, я выбираю фэнтези и фантастику, например, недавно я прочитала роман Сюзанны Кларк «Пиранези». А если есть желание погрузиться в серьезные темы, тут мне подойдут произведения по теме общества, литературы, социологии или даже мемуары. Последнее, что я читала, были лекции по русской литературе XX века, они оказались очень интересными и познавательными.