Рентген сразу на поле боя, низкодозная томография, способная «поймать» рак легких в самом начале, надежный досмотр багажа в аэропорту и цветные снимки внутренних органов – все это не фантастические допущения, а дело недалекого будущего, которое уже формируется в руках наших ученых. Об этом мы беседуем с профессором кафедры химии, новых технологий и материалов, д.ф.-м.н Рашидом Назмитдиновым – руководителем НИР приоритетного уровня «Перовскитные материалы для детектирования рентгеновского излучения».
– Расскажите о себе. Каков был ваш путь в науку?
– Родился я в Самарканде – одном из древнейших городов мира. Его богатая история наложила на мое детство огромный отпечаток: рядом было 600-летнее медресе Улугбека, мечети, поражавшие геометрическими орнаментами, симметрией и цветами. А еще мои детские годы – это полет Гагарина, освоение космоса, гордость за нашу великую страну и особая атмосфера дискуссий между «физиками» и «лириками».
Ключевым моментом для меня стал просмотр фильма «9 дней одного года». Роль ученого-ядерщика, сыгранная Алексеем Баталовым, захватила меня, и уже в 6-м классе я решил стать физиком. А понимание физических законов и желание разобраться в удивительных явлениях природы заложил во мне прекрасный учитель школы № 32 г. Самарканда Сергей Александрович Дырин.
После 10-го класса я поехал поступать в МФТИ: набрав 14 баллов, я был допущен к собеседованию с комиссией. Нас было двое с 14 баллами: абитуриент из Дубны и я. Его взяли, а я вернулся в Самарканд. Тогда экзамены в МФТИ проходили раньше, чем в других вузах, поэтому я успел поступить на физфак Самаркандского университета. Это был один из важных уроков жизни: никогда нельзя сдаваться обстоятельствам. Важно решение проблемы, а не сама проблема.
Вторым важным этапом моей судьбы стали преддипломная и дипломная работы в Лаборатории теоретической физики ОИЯИ, куда я попал благодаря рекомендации Рафката Хабибуллаевича Сафарова. Он заведовал кафедрой теоретической физики на физфаке СамГУ и был хорошо знаком с профессором Вадимом Георгиевичем Соловьевым, замдиректора ЛТФ ОИЯИ.
ЛТФ меня потрясла. На лестнице я встречал директора лаборатории Дмитрия Ивановича Блохинцева, который дружески здоровался со мной, и это словно была встреча простого смертного с небожителем. Я с огромным уважением относился к ведущим ученым ЛТФ, которые жарко дискутировали до полуночи. Для нас, аспирантов, было нормально работать до ночи, но видеть их так поздно… Потрясающий пример энтузиазма и любви к науке, который определил мое отношение к любимому делу.
– У вас обширная сфера научных интересов – квантовые системы, нелинейная физика, матмоделирование, фотовольтаика. Как в этой компании оказалось изучение перовскитов?
– Свою роль сыграли семинары в ЛТФ и мои научные руководители –Игорь Николаевич Михайлов, Дитмар Янссен (ГДР) и Анатолий Владимирович Игнатюк. Семинары стали для меня школой знаний, в которой я знакомился с новыми идеями, а у своих руководителей я учился глубокому пониманию физических явлений. Поэтому, несмотря на то что я занимался физикой вращающихся ядер, мне было относительно легко переключиться на физику квантовых точек в магнитном поле. Помог и освоенный ранее матаппарат.
В 2000-х годах мои исследования по квантовым точкам привлекли внимание профессора Павла Павловича Гладышева из университета «Дубна». Он предложил вместе поработать в области физики тонкопленочных солнечных элементов. В ее основе лежат идеи Столетова и Эйнштейна, изучавших возникновение тока при освещении металлов светом. Это явление – фотоэффект – лежит в основе описания многих фотодетекторов, в том числе и при облучении полупроводников фотонами с различной энергией. Благодаря Павлу Павловичу я и познакомился с перовскитами. Мои исследования в этом направлении вылились в ряд работ, опубликованных в высокорейтинговых иностранных журналах.
В это же время появились работы по использованию перовскитов в качестве основных элементов в детекторах широкого назначения при облучении их фотонами – не только видимого диапазона, но и с более высокой энергией, характерной для рентгеновского и космического излучения. Так возникло направление, которым мы сейчас занимаемся.
– Расскажите, для чего нужны рентген-детекторы?
– Это «глаза» приборов, позволяющих заглянуть внутрь непрозрачных объектов, не разрушая их. В первую очередь, это, конечно, медицина: от флюорографии и снимков переломов до сложнейшей компьютерной томографии, которая строит 3D-модели внутренних органов. Но сфера их применения гораздо шире больничных стен. В аэропортах и на вокзалах именно такие детекторы просвечивают багаж, обеспечивая нашу безопасность. В промышленности они ищут микротрещины в трубах газопроводов или дефекты в деталях самолетов, где любая ошибка может стать фатальной. Они незаменимы в науке – например, для изучения структуры новых материалов или белков на атомном уровне. Везде, где нужно увидеть невидимое, работают эти устройства, преобразующие рентгеновские лучи в понятное изображение или цифровой сигнал.
– Почему сейчас понадобились детекторы нового поколения?
– Мы подошли к технологическому пределу возможностей старых материалов. Традиционные детекторы на основе кремния или аморфного селена работают неплохо, но у них есть серьезный недостаток: чтобы получить четкую детализированную картинку, приходится увеличивать мощность излучения. А это рост лучевой нагрузки на пациента и риска повреждения ДНК. Наша цель – перевернуть эту ситуацию и получать снимки сверхвысокой четкости при минимальных дозах облучения. Современная медицина требует перехода к так называемой низкодозной визуализации, чтобы рентген стал безопасной, доступной, рутинной процедурой. Кроме того, старые технологии часто дороги в производстве, и для них нужны жесткие громоздкие панели. Новые детекторы должны быть не только чувствительнее и дешевле, но и стать гибкими, чтобы их можно было использовать в разнообразных конструкциях.
– Связана ли ваша работа с процессами импортозамещения?
– Это одна из ключевых мотиваций. На данный момент значительная часть высокотехнологичного медицинского оборудования – томографов, рентген-аппаратов и, самое главное, сенсоров внутри них – производится за рубежом. Россия обладает мощным научным потенциалом и сырьевой базой, но нам критически важно иметь свои технологии производства. Разрабатывая отечественные детекторы на основе перовскитов в Дубне, мы надеемся создать фундамент для независимости нашей приборостроительной отрасли. Если мы научимся делать эти сенсоры сами, это станет огромным шагом к технологическому суверенитету в сфере медицинской техники и систем безопасности.
– Перовскитные галогениды – почему выбрали их?
– Это уникальный «конструктор» с идеальными физическими свойствами. Во-первых, в их составе тяжелые элементы (свинец, цезий, висмут) работают как «щит» – они останавливают и поглощают рентген-лучи в разы лучше, чем кремний. Во-вторых, технология их производства потенциально намного дешевле: если для выращивания традиционных кристаллов нужны огромные печи и тысячи градусов, то перовскиты часто можно получать из растворов при низких температурах, буквально «печатая» детекторы. В-третьих, перовскиты «прощают ошибки». Их можно делать не в идеальных условиях, используя не совсем чистые реактивы и минимальный набор оборудования. Это серьезно отличает их от того же кремния, который должен быть сверхчистым и без дефектов структуры. Конечно, конкуренты есть – это и проверенный аморфный селен, кристаллы кадмий-цинк-теллура, сцинтилляционные кристаллы, а также новые функциональные материалы: нанокристаллы с включением лантаноидов, металлорганические каркасы и др. Однако первые недостаточно чувствительны, вторые – безумно дороги в производстве, третьи пока только изучаются. Перовскиты выигрывают именно сочетанием дешевизны, простоты обработки и рекордной чувствительности.
– С какими трудностями сталкивается ваша команда при реализации этого НИР?
– Главный вызов – капризный характер материала. Перовскиты показывают фантастические результаты в лабораторных условиях, но они очень чувствительны к влаге, кислороду и свету. Нам приходится придумывать хитрые способы защиты. Например, «упаковывать» их в полимерные матрицы. Вторая проблема – масштабируемость, разрыв «Lab-to-Fab» (от лаборатории к фабрике). Сделать маленький идеальный кристалл легко, а большую равномерную панель для снимка грудной клетки без дефектов и трещин – сложнейшая инженерная задача. И третий момент – токсичность свинца. Мы активно ищем и разрабатываем бессвинцовые аналоги на основе меди, марганца или висмута, но заставить их работать так же быстро и эффективно, как свинцовые – серьезный научный вызов.
– Какие у вас планы по развитию НИР? Как бы вы хотели в идеале видеть результаты на практике?
– В ближайших планах – закрепление наших уникальных методик синтеза патентами и статьями в рецензируемых высокорейтинговых журналах. Мы уже переходим от изучения свойств материалов к созданию прототипов реальных устройств. В «идеальной картине будущего» мы видим наши разработки внутри компактных и безопасных рентген-аппаратов в каждой районной поликлинике России. Хотелось бы довести технологию до гибких сенсоров: представьте себе «умный пластырь» или браслет, который работает как дозиметр или «снимает» сложный перелом прямо на месте, огибая конечность. Также мы мечтаем внедрить наши материалы в системы фотонного счета – это технология будущего, которая позволит делать цветные рентгеновские снимки, где ткани будут видны с невероятной четкостью.
– Есть ли у вас разработчики-конкуренты в России и в мире? Следите за тем, что они делают?
– Наука сегодня – это глобальная гонка, и конкуренция здесь очень жесткая. Мощнейшие группы по нашей теме работают в Китае, США и Европе, они вкладывают огромные ресурсы в перовскитную тематику. В России тоже есть сильные коллективы: в МГУ, «Сколково», МИСиС, РХТУ, ИФХЭ, СПБГУ, ИТМО, СГУ им. Чернышевского, УФУ и других центрах. Мы не просто следим за ними, мы держим руку на пульсе ежедневно: читаем свежие статьи, анализируем их успехи и ошибки. Это подстегивает нас двигаться быстрее и разрабатывать свои направления. Например, мы предложили эффективные и простые методики получения как больших кристаллов, так и нанокристаллов (квантовых точек), которые не уступают по качеству и характеристикам мировым аналогам. Работа опубликована в журнале Journal of Crystal Growth.
– Расскажите про членов вашей научной группы. Как вы их отбирали, какую карьеру им предсказываете?
– Наша группа в университете «Дубна» – это сплав опыта и молодой энергии. Как правило, коллектив формируется из студентов: мы предлагаем им различные задачи, основанные на наших научных интересах. В группе также работают коллеги из ЛНФ ОИЯИ.
Главный критерий отбора – не просто оценки в зачетке, а «горящие глаза» и готовность к кропотливому труду. Мне отчасти повезло, когда я заметил способности к научному поиску у Ильи Симоненко, читая ему курс квантовой механики. После небольших колебаний он согласился работать у нас. К тому моменту у нас уже была студенческая группа, которая под руководством молодого ученого Влада Кинева работала над синтезом кристаллов из перовскита для рентгеновского излучения. Так случилось, что Влад покинул группу по семейным обстоятельствам, и в лице Ильи я нашел достойную замену. Этот случай подтвердил другой принцип жизни: талантливых людей надо поддерживать.
Работа с перовскитами, требует терпения: 9 из 10 экспериментов могут не дать результата. Нужно иметь характер, чтобы проанализировать ошибки и на десятый раз сделать открытие. Так возникает рабочая методика. Сейчас в нашей группе работают шесть студентов. Они учатся работать руками, синтезировать сложные кристаллы и понимать химию процессов. Уже сейчас они владеют компетенциями на стыке химии, физики и инженерии, которые получили на кафедре химии, новых технологий и материалов и кафедре нанотехнологий и новых материалов. Мне кажется, что эти компетенции позволят им легко найти работу в современных производствах, в большой науке, высокотехнологичных компаниях, занимающихся микроэлектроникой и медтехникой.
Текст: Юлия Кошелева
Фото: Юлия Цепилова