Человек Наук. Физик-экспериментатор — об уникальном приборе, облученных продуктах и китайском копипасте

Нередко современных ученых обвиняют в оторванности от реального мира: мол, вложения в фундаментальную науку — это хорошо, но что делать с этими знаниями в существующих реалиях? Александр Черепанов — тот человек, который объединяет теоретический мир ученых с практическим миром приборостроителей. С одной стороны Александр — кандидат физико-математических наук, доцент кафедры экспериментальной физики, с другой — заместитель директора Центра УрФУ по работе с предприятиями. Он пригласил нас, чтобы рассказать об ЭПР-спектрометре — приборе, с помощью которого можно исследовать различные вещества, находить залежи урана и алмазов, а еще… определять качество пива и свежесть сливочного масла.

Прибор — не просто какая-то фантастическая научная разработка, существующая в единственном экземпляре. Это уже действующий аппарат: специалисты НПО автоматики им. академика Семихатова реализовали идеи ученых, изготовив серию из четырех приборов. По словам ученых, этот ЭПР-спектрометр — настоящий прорыв в приборостроении, не только отечественном, но и мировом. Почему? Об этом расскажет Александр Черепанов.

От того, как связаны атомы в молекуле, зависят свойства вещества.

О приборах и приборищах

Спектрометров разработано великое множество. Это общее название для приборов, которые измеряют спектр какого-либо излучения. В нашем случае измеряется электронный парамагнитный резонанс, сокращенно — ЭПР. Что это такое? Все вещества состоят, как известно, из атомов. Количество атомов ограничено — их в таблице Менделеева сто с небольшим. Но в молекулах эти атомы могут совершенно по-разному соединяться — в итоге вещества получают разные свойства. Классический пример — грифель и алмаз: один и тот же атом углерода, но совершенно разные свойства.

Сегодня существует целый класс приборов, рассчитанных на определение атомного состава. Скажем, у нас на кафедре стоит аппарат, который за пару секунд определит, золото вы купили или, что называется, «металл желтого цвета». Наши студентки любят на нем свои украшения проверять.

С органическими соединениями — сложнее. Возьмем фармацевтику. Например, вы пьете аспирин, и он вам не помогает. Проверяете его — все компоненты нужные, атомы именно тех веществ, что и должны быть. Почему тогда свойства препарата не проявляются? Да просто потому что при синтезе молекулы что-то пошло не так, атомы соединились в иной последовательности. Наш прибор как раз позволяет определить, как связаны между собой атомы. Метод ЭПР-спектроскопии помогает нам в этом. Через образец, размещенный в магнитном поле спектрометра, пропускают СВЧ-излучение (почти как в микроволновке) и наблюдают за тем, как оно поглощается. Заметное поглощение наблюдается тогда, когда магнитное поле спектрометра расщепляет энергетические уровни образца до величины, сопоставимой с энергией кванта СВЧ-излучения — происходит, как говорят, резонансное поглощение, которое мы и фиксируем. У разных веществ это происходит, конечно, при различных значениях магнитного поля.

Метод ЭПР-спектроскопии совсем не новый. Он был открыт в России в 50-х годах прошлого века казанскими учеными. Параллельно развивались две ветки магниторезонансных исследований: электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерно-магнитный резонанс (ЯМР). Последний получил большее распространение — многие медицинские томографы основаны именно на этой технологии. Хотя возможности ЭПР гораздо шире. Все потому, что реализовать приборы на основе ЭПР-технологии сложнее. Конечно, ЭПР-спектрометры существуют. Но как выглядит такой аппарат? Это шкаф, занимающий полкомнаты, весит он 3–5 тонн, стоит $2–3 млн.

Наш ЭПР-спектрометр по-настоящему уникален. Ученые из Института естественных наук Александр Ицекович Рокеах и Михаил Юрьевич Артемов более 30 лет разрабатывают эту тему. Они изменили принцип регистрации сигнала, за счет чего оказалось возможным без ухудшения измерительных возможностей резко уменьшить размеры прибора и его стоимость — рыночная цена нашего спектрометра 2–2,5 млн руб. Это действительно фундаментальный прорыв.

Для исследования достаточно микроскопического количества вещества, порой хватает даже пыли на стенках колбы.

О качестве пива, радиоактивных топазах и ядерной энергетике

В Германии ЭПР-спектрометры стоят в каждой пивоварне — с их помощью производители определяют вкус и качество пива. Сладкое пиво, солоноватое, горьковатое, нормальное или испорченное — напиток состоит из одних и тех же атомов. Но от того, в какой последовательности они соединены, зависит вкус. А в какой-то момент некоторые из этих связей рвутся — пиво начинает портиться. ЭПР-спектрометр позволяет это видеть. За счет чего? Если где-то связь рвется, появляется неспаренный электрон, а он представляет собой маленький магнит. Поведение этого маленького магнита ЭПР-спектрометр как раз может фиксировать. Наши студенты, кстати, знают о возможностях прибора при работе с пивом. От желающих лично принять участие в определении качества пенного напитка отбоя нет, тем более что для проведения исследования хватает пары капель. Остальной объем просто «утилизируется».

Этим прибором можно измерить качество любых продуктов. Возьмем, к примеру, сливочное масло. На упаковке написано: срок хранения один месяц при такой-то температуре. Но никто ведь не знает, соблюдались эти условия или нет. Если в спектрометр поместить кусочек такого масла, можно увидеть, сколько в нем стало свободных — разорванных связей. Чем дольше масло хранится, тем больше разорванных связей получается.

Главное — построить методику исследования. Для этого мы берем заведомо качественные продукты, измеряем их спектр. Затем берем заведомо испорченные и тоже смотрим их спектр. У нас получается по сути некий набор эталонов. Соответственно, когда мы будем исследовать уже конкретный продукт, мы будем смотреть, к какому спектру он стремится: хорошему или плохому.

Но мы же кроме прочего работаем и на атомную промышленность. Одна из задач нашей кафедры связана с дозиметрией. Наиболее раскрученный дозиметр — счетчик Гейгера: именно его обычно показывают в фильмах. Но этот прибор рассчитан на персональную дозиметрию, то есть измерение относительно малых доз. А сегодня активно развиваются радиационные технологии, существуют промышленные ускорители — большими дозами облучения стерилизуют медицинские материалы и драгоценные камни, добиваясь нужного цвета, обрабатывают семена и продукты.

Кафедра экспериментальной физики выросла из кафедры электроники и автоматики объектов атомной промышленности.

Драгоценные камни часто «дорабатывают» с помощью радиационного облучения. Обычно кристаллы по природе своей абсолютно прозрачны либо имеют металлический блеск. А все дополнительные цвета — голубые, синие, зеленые — это либо химические примеси, либо радиационное облучение. Облучение радиацией выбивает какой-то из атомов, то есть рвет связь, возникает дефект, и кристалл сразу ведет себя иначе, проявляет другие свойства. Скажем, голубые топазы, которые так любят многие женщины, часто облучают на ядерных реакторах: подложат прозрачные камни, они получат определенную дозу, возникнут радиоактивные изотопы. Вначале такие камни просто становятся коричневыми. Их убирают в шкафчик на три года, чтобы радиация спала, после этого они приобретают правильный голубой оттенок. Для человека эта доза уже практически не опасна. Но вы ведь понимаете, что обычно на рынке нет такого времени. Создают условия, при которых камень быстро изменяет цвет до нужного, а радиация из него до конца не уходит. И вы никогда не узнаете, что носите камень с радиоактивным следом. Потом раз — опухоль мозга.

Современные ускорители не оставляют радиационного следа. Они работают по другому принципу — за счет направленного пучка электронов. Такие ускорители, в отличие от ядерных реакторов, просто не создают радиоактивных изотопов. В ядерном реакторе задействованы нейтроны — это незаряженные частицы, они легко могут провзаимодействовать с любым ядром, изменив его свойства. Новые ядра находятся в состоянии возбуждения, которое снимается как раз испусканием радиации. А электроны ускорителя до ядер не доходят, они рвут только электронные связи.

Для человека такие ускорители не опасны. Вернее опасны, только когда включены. Как лампа: включена — свет есть, выключили — свет погас. Здесь так же: облучение происходит, пока включен рубильник. Понятно, что в это время в рабочем помещении нет людей. Как только рубильник выключили, человек может заходить. У нас на кафедре стоит такой ускоритель — мы на нем стерилизуем медицинские расходники: шприцы, бинты, шовный материал. Может облучать и кристаллы.

Облучению подвергаются не только камни, но и продукты. Скажем, все орехи, ввезенные из стран Юго-Восточной Азии, обработаны на таком вот ускорителе. Или «свежие» ягоды, которые посреди зимы красуются на прилавках супермаркетов. Ведь та же голубика из леса — ты ее утром сорвал, и если на столе оставил, она уже к обеду киснуть начнет. А эти ягоды неделями не портятся. Почему? Потому что прошли радиационную обработку. Об этом нигде не пишут, но подавляющее большинство продуктов, которые вы сегодня едите, попадают в магазин после такого вот ускорителя.

В такой обработке нет ничего плохого — но только при том условии, что она проведена правильно: продукт облучался нужной дозой нужное количество времени. Тут всё просто: чтобы человек умер, нужна доза 6 килогрей. Чтобы заяц погиб — 12. А бактерии нужно уже 100 килогрей. Чем проще организм, тем сложнее его поломать. Грибки погибают при дозе в 200 килогрей, вирусы — при 300.

Если дать дозу больше, чем нужно, гибнут не только вредные микроорганизмы — начинает разрушаться сам продукт. Возникают свободные радикалы, а именно они так опасны для человека. Это и есть те самые канцерогены, которые вызывают онкологические заболевания.

Наш ЭПР-спектрометр как раз позволяет видеть количество свободных радикалов. В результате мы можем сказать, какая доза была получена, опасно есть такой продукт (или носить такой камень) или нет.

О государственной помощи, нежелании нефтяников зарабатывать и шустрых китайцах

Ученых, занимающихся ЭПР-спектрометрией, не так много. В России если человек 100 наберется, то хорошо. Исследования, которые они проводят, связаны больше с фундаментальной наукой — наш спектрометр выбивается своей практичностью. А вот соседняя Белоруссия в плане прикладных разработок по ЭПР-методике продвинулась немного дальше. Всё благодаря бывшему главе страны Станиславу Шушкевичу. Он сам ядерщик, радиоэлектронщик, ЭПР-спектрометрия — его тема. В свое время, еще в 90-е, он своим коллегам направил весьма приличное количество денег. В итоге они совместно с немцами разработали отличный ЭПР-прибор, который распознает рак на ранних стадиях. Подобные приборы уже сертифицированы для России, в Москве работает сеть клиник, которые делают ЭПР-тесты, причем с очень высокой степенью достоверности.

Мы тоже хотим двигаться с сторону фармацевтики. Самое важное в этом деле, впрочем, как и в случае с продовольственными продуктами, — выработать методику. Те же белорусы, прежде чем выпускать свой скрининговый ЭПР-спектрометр на рынок, провели не одну тысячу клинических исследований, собрали материал, описали все возможные виды спектра. Они выделяют плазму из крови, специальным образом ее обрабатывают, изучают определенный белок и по изменениям его свойств делают заключение о наличии или отсутствии патологии. Ведь просто сама по себе информация ничего не дает: засунешь капсулу с кровью — тебе прибор выдаст какой-то результат, но что с ним делать, как и что определять — непонятно.

Андрей Тарарков — руководитель проекта по ЭПР-спектрометрии на НПО автоматики. Именно он со своими коллегами на основе научных разработок ученых УрФУ сегодня занимается продвижением этого прибора, развитием методик его применения. Сейчас приборостроители совместно со специалистами УрФУ и Уральской медицинской академии начинают исследования сухих молочных смесей для детей. С помощью прибора специалисты изучают спектры разных смесей и натурального грудного молока. Главная цель — выработать методику, благодаря которой педиатр, назначая детскую смесь, понимал бы, подойдет ли она конкретно этому малышу.

Нефтяники, используя наши ЭПР-спектрометры, вполне могли бы получать дополнительный доход, если бы захотели. Нефть, протекая по пластам земли, собирает на себя определенные элементы. Например, ванадий. Это стратегический металл. Из него делают ответственные элементы в корабле- и авиастроении. И ванадий можно добывать из нефти: вначале очищать углеводородное сырье от примеси металла, потом уже перерабатывать. Американцы, канадцы, кстати, так и делают. А увидеть ванадий в нефти можно на нашем ЭПР-спектрометре.

Но когда приходишь к нефтяникам с предложением о сотрудничестве, они достают свои технические требования: мол, у нас в регламенте никаких ЭПР-спектрометров нет, а менять технологию мы не имеем права. Внедрение таких решений, по сути, никому не нужно. Если ты не гарантируешь мгновенное повышение рентабельности, тебя никто не будет слушать.

Зато китайцы проявляют к спектрометру огромный интерес. Они, совсем не стесняясь, говорят: давайте сделаем ваши приборы под нашим брендом. Корпуса — наши, вся начинка — ваша. Рынок сбыта вполне понятен: ЭПР-спектрометрия используется при поиске полезных ископаемых — от алмазов до урановых руд. Но отдавать наши технологии китайцам, честно говоря, не хочется. Лучше мы как-нибудь сами выйдем на зарубежные рынки. Там мышление другое, там выгоды нашего прибора прекрасно понимают. И с этой точки зрения у него прекрасные перспективы.