Совместный проект МИА «Россия сегодня»
и НИЦ «Курчатовский институт»
Увидеть всё
Что такое синхротрон
Как появился, зачем нужен и что умеет мегаинструмент для исследования материи

Мы все хотим понимать, из чего состоит окружающий нас мир, как нам создать новые материалы, почему мы болеем и как нам лечиться. Для этого нужно знать атомную структуру молекул, в том числе белков и вирусов.

Целенаправленно создавать технологии и материалы, понять структуру и механизмы работы белков, чтобы научиться ими управлять, можно с помощью синхротрона — самого мощного на сегодняшний день устройства для изучения структуры и свойств материи.

Доступ к сути
Рентгеновские лучи — это способ «заглянуть» внутрь предмета

Наши предки постоянно изучали окружающий мир, сначала полагаясь на собственные органы чувств и пару рук. Затем, чтобы понять, из чего состоят предметы вокруг, приспособили линзы, ещё позже изобрели оптический микроскоп с возможностью увеличения в две тысячи раз. Но вплоть до конца XIX века все инструменты давали информацию лишь о внешних признаках предмета — цвете, размере, форме, текстуре. И только открытие в 1895 году рентгеновских лучей принципиально изменило процесс познания мира.

Рентгеновский снимок руки жены Вильгельма Рентгена
Когда Вильгельм Рентген обнаружил во время эксперимента с электрическими разрядами в стеклянных вакуумных трубках неизвестные лучи, проникающие сквозь самые плотные препятствия, он решил никому не говорить, пока самостоятельно не выяснит их природу и свойства. Спустя 50 суток непрерывной работы Рентген открыл свою тайну жене Берте. Именно её рука изображена на первом рентгеновском снимке в истории. Рентген открыл неизвестный до этого тип излучения, которое проникало сквозь непрозрачные предметы, и назвал его «икс-лучами» (X-rays).
Вильгельм Рентген
«По поводу этого явления проще всего предположить, что чёрный картон, непрозрачный ни для видимых и ультрафиолетовых лучей Cолнца, ни для лучей электрической дуги, пронизывается каким-то агентом, вызывающим энергичную флюоресценцию. В таком случае нужно прежде всего исследовать, обладают ли этим свойством и другие тела. Легко найти, что все тела проницаемы для этого агента, но в различной степени»
(Вильгельм Рентген, «О новом роде лучей», 1895 г.)
Вторым эпохальным событием в этой области стало открытие явления дифракции рентгеновских лучей: в 1912 году немецкий физик Макс фон Лауэ впервые показал упорядоченное строение кристаллических твердых тел. Направив излучение от рентгеновской трубки на кристалл цинковой обманки, он увидел на фотопластинке, помещенной за кристаллом, несколько ярких пятен от отражённых кристаллом лучей. Это открытие подтвердило, во-первых, волновую (электромагнитную) природу рентгеновских лучей, а во-вторых — атомное строение твердого тела. Таким образом, люди убедились в реальности атомной структуры, а затем смогли увидеть, как эти атомы располагаются в пространстве.
Макс Фон Лауэ
За открытие дифракции рентгеновских лучей на кристаллах Максу фон Лауэ была присуждена Нобелевская премия. Альберт Эйнштейн назвал это открытие одним из самых красивых в физике — структуры кристаллов оказались очень фотогеничными.
«Благодаря открытиям Рентгена и Лауэ мы впервые увидели сложный, трехмерный мир, узнали, что есть последовательность атомов, представляющая собой объёмную кристаллическую решётку. Так возникла рентгеновская кристаллография — базовая физическая наука, которая составляет основу материаловедения»
От анализа к синтезу
Изучение кристаллов позволило создавать новые материалы и технологии

Узнав, как устроены материалы на атомарном уровне, учёные получили возможность связывать эти данные со свойствами материалов. Следующим шагом стало создание новых материалов и структур с заранее заданными свойствами. Так возникли многие искусственные материалы, которыми мы пользуемся в повседневной жизни.

В середине прошлого века советские учёные, в частности сотрудники Института кристаллографии имени А.В.Шубникова РАН, одними из первых в мире начали использовать рентгеноструктурный анализ. Благодаря развитию этого метода появилась отрасль промышленности, которой до этого в мире не было, позволяющая на основе исследований кристаллов любой природы синтезировать новые кристаллические структуры. Всё это нашло применение в нашей жизни: от кристаллов в наручных часах — до плазменной панели телевизора и сенсорном устройстве мобильного телефона.

Идеальный кристалл
Михаил Ковальчук:
Как мы можем управлять свойствами твёрдых тел
Читать
Белки — всему голова
Из белковой кристаллографии вышла вся молекулярная биология

Особо важную службу рентгеновское излучение сослужило для биологии. Белковая кристаллография стала новой областью знаний, на которой базируется современное понимание болезней и создание лекарств для их лечения. Любое лекарство — это синтезированное руками человека вещество, которого по каким-то причинам не хватает организму. Как получить его формулу? Нужно взять образец этого вещества, превратить его в кристалл и с помощью рентгеновского излучения расшифровать его структуру. Так учёные понимают, как работают живые клетки и их рецепторы, и получают возможность для создания лекарственного препарата.

Первые структуры белков были расшифрованы в середине прошлого века.
Рентгеновское излучение и Нобелевские премии
Читать
Советские учёные были в первых рядах в создании нового перспективного направления. Огромный вклад в развитие белковой кристаллографии внёс академик Борис Вайнштейн. В 1958 году Вайнштейн создал и возглавил в Институте кристаллографии одну из первых в мире лабораторий белковой кристаллографии, которая благодаря выдающимся результатам исследований получила мировую известность.
Борис Вайнштейн
«Раньше за расшифровку одной белковой структуры давали Нобелевскую премию. Сейчас их открыто более 120 тысяч, каждая новая — это уже даже не кандидатская диссертация. Сегодня самое сложное — вирусы», — объясняет Михаил Ковальчук, ученик и продолжатель дела Вайнштейна. В 1998 году он был избран директором Института кристаллографии РАН, в 1999 году стал первым руководителем Курчатовского синхротрона, а в 2005 году возглавил весь Курчатовский институт. — «Такие методы диагностики, как рентгеновская дифракция — это основа современного материаловедения, а в нанотехнологиях, нанобиотехнологиях адекватная диагностика становится еще более необходимой. За несколько лет со дня открытия на Курчатовском синхротроне развернулись исследования в области фундаментальных наук, материаловедения, нано- и биотехнологий, молекулярной биологии и медицины, получили развитие методы нанодиагностики с атомарным разрешением. Для меня лично работа на Курчатовском синхротронном источнике стала логическим продолжением исследований в области кристаллографии, диагностики материалов, но именно в стенах Курчатовского института стала очевидна взаимосвязь синхротронного излучения и нанотехнологий».
Больше, чем рентген
Синхротронное излучение — это такие же электромагнитные волны, что и видимый свет
Как и свет, рентгеновские лучи представляют собой электромагнитные волны, только с меньшей длиной волны (на шкале спектра они находятся между ультрафиолетовым и гамма-излучением)
Здесь находится видимый нами свет
А здесь — рентгеновское излучение
Синхротронное излучение имеет очень широкий спектр, позволяя выбирать нужный для работы диапазон

Синхротронное излучение — это электромагнитное излучение заряженных частиц, которые движутся в магнитном поле со скоростью, близкой к скорости света. Магнитное поле буквально «срывает» с электронов потоки фотонов — так получается синхротронное излучение. В синхротроне электроны вращаются в сверхвысоком вакууме, они не соприкасаются со стенками вакуумной камеры.

А так как длина волны синхротронного излучения, используемая в экспериментах — доли нанометра, это позволяет разглядеть внутренние детали нанообъекта, в частности, определить атомную структуру молекул, в том числе белков, различных тканей, структуру искусственно созданных нанослоев, наномембран и так далее.

До начала 1960-х годов в качестве источников рентгеновского излучения для исследования вещества использовали рентгеновские трубки. С их помощью можно «увидеть» больше, чем через микроскоп, но возможности рентгена тоже ограничены. В рентгеновской трубке нельзя бесконечно увеличивать ток или напряжение, чтобы повысить яркость, иначе она просто расплавится. Яркость же синхротронного излучения выше рентгеновского в миллионы раз. Она и позволяет просветить глубинные слои вещества — органического и неорганического.

Свет синхротрона в 100 тысяч раз ярче солнечного
Синхротронное излучение теоретически предсказали советские физики Дмитрий Иваненко и Исаак Померанчук ещё в 1944 году. А заметили его уже позже и случайно — во время экспериментов по получению высоких энергий в ускорителе частиц. Яркий белый свет был побочным эффектом основного процесса: на него частицы тратили ту самую энергию, которую надеялись получить учёные и которая попросту терялась без роста энергии самих электронов. Поэтому излучение такого рода называли паразитным, пока не выяснилось, что его можно использовать для изучения материалов. «Паразитное» синхротронное излучение оказалось электромагнитным излучением огромной яркости, которое включает в себя и видимый свет, и ультрафиолет, и инфракрасное излучение, и, что самое важное, рентгеновское излучение.
Источник суперсвета
Синхротронное излучение получают на мегаустановках — синхротронах
Сейчас синхротронное излучение больше не считают паразитным и вредным. Наоборот, для его получения строят специальные гигантские приборы — синхротроны. Немногие страны могут себе позволить оборудование такого уровня: всего в мире около полусотни действующих установок. Два из них находятся в России: в новосибирском Институте ядерной физики имени Г.И. Будкера и специализированный источник поколения «2+» (поколения синхротронов зависят от наличия вигглеров и ондуляторов, то есть специальных магнитов, усиливающих излучение — прим.ред.) в Москве — в Курчатовском институте.
Московский синхротрон — единственная мегаустановка, запущенная после распада СССР
Синхротрон состоит из двух частей: самого ускорителя частиц, который генерирует излучение, и станций-лабораторий, где полученный световой поток применяют для различных задач
Ускоритель частиц генерирует излучение
Полученный световой поток используется на станциях-лабораториях для исследований
В ускорителе частиц заряженные электроны набирают ход по кольцевой траектории, пока не достигнут скорости света
Электроны «запускаются» в линейном ускорителе, после чего они набирают скорость на малом кольце и переходят из него в большое
Кольца синхротрона состоят из прямых участков и поворотных магнитов, которые меняют траекторию электронов, заставляя их «поворачивать», чтобы сохранить на кольцевой орбите синхротрона
При каждом повороте электроны испускают мощный световой пучок, который выходит из кольца ускорителя по касательной
Излучение по каналу попадает на одну из экспериментальных станций, расположенных по периметру кольца
Как получить дополнительный импульс на синхротроне
Читать
Плюсы синхротронного излучения
Яркое
В миллионы раз превосходит рентген
Интенсивное
Легко проходит сквозь стену, если она не защищена свинцом
Сфокусированное
Узкий луч попадает точно в образец, установленный на большом расстоянии от источника
Свет синхротрона позволяет увидеть не только атомную структуру вещества, но и процесс возникновения и разрыва химических связей между атомами
Лаборатории для исследования
Полученное на ускорителе излучение используют на экспериментальных станциях

Если синхротрон — это суперфонарик, который излучает суперсвет, то экспериментальная станция — суперглаз, который помогает его увидеть. Из каждого поворотного магнита на кольце синхротрона можно вывести синхротронное излучение в отдельный канал и установить экспериментальную станцию, предназначенную для определённого направления исследований.

Всего на Курчатовском синхротроне сегодня работает 15 экспериментальных станций, ещё восемь в процессе создания. На каждой станции работает система фильтров, которая помогает настроить все параметры (например, длину волны), выбрать подходящий диапазон и сфокусировать пучок света под нужным для эксперимента углом. Сам процесс «просвечивания» проходит в отдельном помещении: интенсивность потока настолько сильна, что находиться рядом с ним небезопасно.

Процесс проведения эксперимента на станции условно можно разбить на три этапа: «настройки» луча, просвечивания образца и сбора данных
С помощью системы рентгенооптических фильтров ученые получают световой рентгеновский луч нужного размера, фокусировки и энергии
Луч направляют на образец. Расположенные вокруг детекторы фиксируют излучение, которое проходит сквозь или отражается от объекта
Информация поступает на компьютер
Результаты эксперимента могут выглядеть по-разному — в зависимости от метода изучения. На станциях используют три основных метода: дифракция, рентгеноспектральные исследования и прямая визуализация. В первом случае исследователь получает картину рассеяния лучей, направленных на образец. Это, например, атомная структура кристаллического объекта. С помощью рентгеноспектрального анализа можно узнать химический состав вещества, а метод визуализации даёт непосредственное изображение объекта (пример такого изображения — рентгеновский снимок).
Связь с реальностью
Синхротрон — это прикладной инструмент, с его помощью совершаются важные открытия во многих областях современной науки

В первую очередь синхротронное излучение применяют в материаловедении, физике твердого тела, химии и нанобиотехнологиях, микромеханике, биологии и медицине. Синхротронное излучение помогает даже при изучении мозга живых существ. Оно позволяет избирательно визуализировать в его тканях ионы тяжелых металлов. Учёные могут пометить активно работающие клетки мозга испытуемого животного так, чтобы они накапливали ионы, и визуализировать эти работающие сети в мозге во время введения исследуемого когнитивного препарата. Эксперимент может дать ответы на целый ряд вопросов — как действует препарат, где, на какие системы памяти.

На синхротронах также изучают геологические породы, археологические артефакты, органические останки, подходящие для анализа ДНК, произведения искусства. Например, с помощью синхротрона удалось прочитать надписи на свитках, которые сгорели при извержении Везувия и дошли до нас в виде застывшего пепла.

Области применения синхротрона
Физика
Химия
Материаловедение
Промышленность
Биотехнологии
Науки о Земле
Археология
Медицина
«Современные синхротроны — один из самых перспективных инструментов не только для фундаментальных исследований, но и для создания принципиально новых технологий»
Михаил Ковальчук о возможностях Курчатовского синхротрона
Читать
Что изучают на станциях Курчатовского института
Перспективные материалы
Инженер-исследователь Ратибор Чумаков – о «чистой комнате» и космическом излучении
Читать
Древности и предметы искусства
Старший научный сотрудник Елена Терещенко — о «гуманных» методах исследования и исчезнувших буквах
Читать
Белки
Сотрудник станции «Белки» Алёна Николаева — о том, как микробиология помогает сельскому хозяйству
Читать
Крупные компании платят за исследования на синхротронах. Взамен они получают уникальные данные, которые могут значительно улучшить параметры производства. Чаще других в исследования инвестируют фармакологические и технологические гиганты, например, производители электроники. Так, на синхротроне ESRF в Гренобле компания France Telecom проверяет качество кремниевых пластин, которые нужны для производства техники. На британской установке Diamond тестируют свойства стали, чтобы автомобили BMW MINI ездили быстрее и служили дольше. А на Курчатовском синхротроне проверяют сверхтонкие материалы для производства высокотехнологичных механизмов — например, для электроники и авиационных деталей, изучают радиационные повреждения в различных устройствах.
Любой синхротрон — это прибор коллективного пользования. Обычно он располагается на базе крупного научного института, а другие лаборатории и исследователи приходят работать на нём, согласно выделенному времени
Во всём мире синхротроны решают задачи не только науки, но и промышленности
$200–500 млн
в среднем тратят страны на строительство синхротрона
11 из 25
самых крупных британских компаний используют синхротрон для исследований в своих целях
30%
рабочего времени отдается промышленным потребителям на американских и японских синхротронах

В Курчатовском институте больше всего промышленных заказов получает станция катализаторов — это показатель высокого уровня развития химической промышленности в России. При этом учёные уверены, что для полной загрузки мегаустановки недостаточно интереса отдельных частных заказчиков — нужны вложения целых отраслей промышленности, которым важно развивать технологии будущего.

«Синхротрон — это вершина развития современных технологий. То, чем мы здесь занимаемся, непосредственно связано с промышленностью, но от исследования до бизнеса дорога длинная. Хотелось бы, чтобы эта дорога сокращалась, чтобы промышленность давала нам, учёным, большие задачи, которые мы готовы решать с помощью синхротронного излучения»
Порядок из хаоса
Синхротроны нового поколения помогут предсказывать положение атомов
С помощью современных синхротронов можно увидеть, как распределены атомы в пространстве, но у этого положения тоже есть свои причины: например, именно такая структура материалов могла сформироваться в результате Большого взрыва или химической реакции. Задача на будущее — проследить, как атомы пришли в нынешнее положение, подсмотреть у природы, как она создает материалы. Для этого необходимо четвертое поколение источников синхротронного излучения.
Сам процесс возникновения структуры вещества крайне сложно зафиксировать
Этапы формирования упорядоченных структур

«Исследовательские возможности российских ученых не ограничиваются только Курчатовским синхротроном», — объясняет Александр Благов. — Сегодня российские ученые могут активно пользоваться возможностями Европейского синхротронного центра ESRF в Гренобле. Здесь работает источник синхротронного излучения третьего поколения, одна из самых активных научных площадок в мире, объединяющая 18 европейских стран. С вступлением России в ESRF в 2014 году российская сторона получила прямой доступ ко всему комплексу экспериментального оборудования, образовательным программам ESRF и интеллектуальной собственности, создаваемой при проведении наших исследований».

В планах у российской науки — строительство нового специализированного источника рентгеновского излучения с рекордной яркостью и длительностью импульса. Характеристики ИССИ-4 — так будет называться новый синхротрон, позволят создавать материалы для сверхбыстрых компьютеров на основе искусственного интеллекта, углублённо изучать функции мозга и генетического аппарата, создавать эффективные лекарства и методы диагностики болезней, которые раньше считались неизлечимыми. Идею этого проекта уже поддержали японские коллеги из синхротронного центра 8-SPRING, европейского синхротронного центра ESRF в Гренобле и германского синхротронного центра DESY (Гамбург). Минуя третье поколение синхротронов, российские учёные сделают скачок сразу в четвёртое.

Излучение синхротрона нового поколения будет в миллионы раз ярче существующего
Тем временем в Гамбурге с 1 сентября 2017 года введен в строй рентгеновский лазер на свободных электронах XFEL (X-ray Free electron laser). Это международный научный мегапроект, созданный на базе разработок российских учёных, при очень значительном интеллектуальном, технологическом и финансовом вкладе нашей страны. На мегаустановке протяжённостью три с половиной километра будет генерироваться рентгеновское излучение высокой интенсивности, аналогичное лазерному. Его мощность будет гораздо выше излучения, получаемого на синхротронах. С помощью таких исключительно ярких и сверхкоротких импульсов рентгеновского излучения учёные буквально смогут увидеть процессы, происходящие в наномире.
Европейский синхротронный центр в Гренобле ESRF

В результате XFEL откроет принципиально новые возможности для изучения химических и физических процессов, происходящих в веществе, позволит выйти на новый уровень в исследованиях в области физики, химии, материаловедения, наук о жизни, биомедицине. При работе на полную мощность (частота повторения импульсов рентгеновского пучка до 27 000 импульсов в секунду), он будет значительно превосходить по своим техническим параметрам существующие сегодня подобные лазеры в США и Японии.

Использование пучкового времени будет осуществляться с учетом вклада каждой страны в создание установки. Доля участия России — вторая по значимости после страны-хозяйки — Германии, она составляет более четверти от общей стоимости проекта. Российские сотрудники — вторые после германских коллег по числу научных сотрудников в штате XFEL. Также россияне входят в тройку лидеров по числу заявок на первые эксперименты на пучке.

Старший научный сотрудник Елена Терещенко — о «гуманных» методах исследования и исчезнувших буквах

Курчатовский институт — один из немногих в мире, где на одной площадке можно исследовать археологические экспонаты, предметы искусства с применением и синхротронного излучения, и нейтронов, не говоря уже о микроскопии, химических методах. Мы выясняем химический состав наших объектов, их структуру, данные о внутреннем строении — всё это может пролить свет на время, технологии его создания и применение.

Например, недавно мы исследовали серебряные бисерины, которым почти 5000 лет. Представьте себе: бронзовый век и серебряные бисерины диаметром 2 миллиметра. Как наши предки их делали — литьём, нарезкой трубочек, был ли металл прокован или он литой? Традиционный способ это выяснить — металлографические исследования, требующие распиливания бисерин. Но это уничтожение исторического образца. Есть более гуманный метод — синхротронная томография: по набору проекций образца восстанавливается его внутренняя 3D-структура. В случае с бисеринами мы обнаружили внутри поры и наросты, а кроме того, в бисеринах оказались монолитные отверстия. Эти результаты подтвердили предположения коллег-археологов из Исторического музея, что бисер был изготовлен методом литья. В этом случае мы проверили уже имеющуюся гипотезу, но обычно интересные идеи возникают в процессе работы.

Ещё мы изучали средневековые русские кресты-энколпионы XI-XIII веков — находки Института археологии (энколпион — крест, в котором хранили реликвии: кусочки ткани, дерева, волос — прим. ред.). Определили технологию чернения этих крестов, которая доказала высокое мастерство русских умельцев, живших тысячу лет назад.

Один из поступивших энколпионов был закрыт, крепёжные отверстия сломаны, то есть вскрытие креста его бы разрушило. Коллеги-археологи попросили исследовать предмет, не открывая его, и выяснить, что внутри. На нейтронной томографии стали чётко видны и особенности крепежа, и то, что он был нарушен, и содержимое креста. К общему разочарованию выяснилось, что внутри креста в основном глина, которая забилась в него, пока крест находился в земле. Но мы уже отработали методику, впереди работа с еще несколькими подобными крестами, найденными археологами под Суздалем.

С Государственным историческим музеем мы приступили к изучению рукописей на пергаментах. Довольно долго основным материалом для изготовления книг был пергамент — выделанная кожа. Это был дорогой материал, и писцы, когда им не хватало новых листов, стирали старые записи и писали новые тексты на очищенных листах. Такие рукописи называются палимпсесты. Конечно, учёным интересно узнать, что было стёрто. У нас есть возможность проявить затёртые тексты с помощью синхротронного излучения. Для определения расположения следов чернил на поверхности мы используем метод флуоресцентного картирования. Дело в том, что в состав чернил, в зависимости от их цвета, могут входить железо, ртуть или другие тяжелые элементы. Картирование выглядит так: каждую точку поверхности листа освещаем синхротронным пучком и получаем от неё флуоресцентный спектр. Из этих точек составляется матрица. Анализируя выход флуоресценции от определенных элементов, мы можем распознать следы букв.
Инженер-исследователь Ратибор Чумаков – о «чистой комнате» и космическом излучении

Мы работаем в «чистой комнате» — помещении со специальной вентиляцией, где количество частиц грязи в воздухе сокращено до минимума. Это нужно для того, чтобы защитить объекты. Например, если пылинка попадёт на микропроцессор, он будет безвозвратно испорчен.

Наши диапазоны для работы — это вакуумный ультрафиолет и мягкий рентген. Такое излучение подходит для космических датчиков. Получается, что мы на Земле обеспечиваем спектр, доступный только на орбите.

Метод спектроскопии позволяет изучать электронную структуру поверхности материала на глубине до трёх нанометров. Мы получаем большой объем информации о химическом составе, степени окисления, валентности и свойствах материала, таких как проводимость.

Вот, например, среди наших объектов для изучения — полимер с оксидом титана. Это один из перспективных элементов для производства, например, солнечных батарей. Глядя на график с полученными данными, мы можем узнать химический состав образца и понять, почему проявляется его уникальное свойство. Недавно мы также исследовали фрикционные свойства полимеров. Подбирали пару, в которой трение будет минимальным.
Вообще потенциал синхротронного излучения для исследований, в том числе промышленных, огромен. Если вы производите сталь и хотите понять, как у вас происходит процесс окисления или, скажем, какой расплав с чем взаимодействует, то мы можем многое об этом рассказать.
Сотрудник станции «Белки» Алёна Николаева — о том, как микробиология помогает сельскому хозяйству
Наша лаборатория изучает белки и белковые комплексы, особенно те, что представляют интерес для медицины и биотехнологии. Мы используем метод рентгеноструктурного анализа: определяем структуру кристаллического вещества, то есть узнаём, как его атомы расположены в пространстве.
Например, один из наших образцов — кристалл белка из паразитического микроорганизма Spiroplasma melliferum. Это бактерия, которая сильно мешает сельскому хозяйству тем, что вызывает заболевания у скота.
Для исследования нам понадобилось рентгеновское излучение. Рассеяние его лучей сложилось в дифракционную картину. Просчитав её математически, мы получили структуру с атомарным разрешением, и смогли обнаружить в ней химические соединения, ответственные за активность белка. А если мы нашли то, что вызывает их активность — можем понять, что их остановит. И разработать лекарство, которое защитит скот от болезней, вызванных этими микроорганизмами.
Рентгеновское излучение и Нобелевские премии
В 1962 году Нобелевская премия по химии была присуждена Джону Кендрю и Максу Перутцу за расшифровку миоглобина — белка, который содержится в мышцах и помогает запасать кислород для клеток. С помощью рентгеновского излучения стала возможной расшифровка структуры двойной спирали ДНК, которую провели Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Розалинд Франклин. Все они использовали в своих исследованиях наработки англичанки Дороти Ходжкин, которая ещё в 1949 году определила молекулярную структуру пенициллина, в 1957-м — витамина В12. В 1964 году эта выдающаяся женщина была удостоена Нобелевской премии за свой вклад в развитие рентгеноструктурного анализа.
Именно открытия, связанные с рентгеновским излучением, были отмечены наибольшим количеством этих престижных научных наград. Кроме самых первых премий Рентгена и Лауэ, они были присуждены по физике:
1915 г. «За заслуги в исследовании кристаллов с помощью рентгеновских лучей» — отцу и сыну Брэггам;
1917 г. «За открытие характеристического рентгеновского излучения элементов» — Чарльзу Барклу;
1924 г. «За открытия и исследования в области рентгеновской спектроскопии», — Карлу Манне Сигбану;
1927 г. «За открытие эффекта, названного его именем» — Артуру Комптону;
1937 г. «За экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах» — Клинтону Дэвиссону совместно с Джорджем Томсоном;
1936 г. «За вклад в понимание молекулярной структуры в ходе исследований дипольных явлений и дифракции рентгеновских лучей и электронов в газах» — Петру Йозефу и Вильгельму Дебаю;
1982 г. «За вклад в развитие электронной спектроскопии высокого разрешения» — Каю Манне Сигбану;
2002 г. «За изыскания в области астрофизики, которые привели к открытию космических источников рентгеновского излучения» — Рикардо Джаккони.
1946 г. «За открытие появления мутаций под влиянием рентгеновского облучения», Нобелевскую премию по физиологии и медицине получил Герман Мёллер.

Также рентгеновское излучение использовалось для расшифровки структуры гемоглобина (Дж.К. Кендрю, М.Ф. Перутц, Нобелевская премия по химии за 1962 г.).

В 1964 году премию по химии «за определение с помощью рентгеновских лучей структур биологически активных веществ» получила Дороти Ходжкин.

Непосредственное отношение рентгеновское излучение имело и к расшифровке двойной спирали ДНК (Дж.Д. Уотсон, Ф.Х.К. Крик, 1962 г., Нобелевская премия в области физиологии и медицины).

В 1979 году Нобелевскую премию также в области физиологии и медицины за разработку метода осевой рентгеновской томографии получили А. Кормак и Г. Хаунсфилд.

В 2009 году Нобелевскую премию по химии получила Ада Йонат, совместно с Венкатраманом Рамакришнаном и Томасом Стейцем, «за исследования структуры и функций рибосомы кристаллографическими методами».

Михаил Ковальчук: Как мы можем управлять свойствами твёрдых тел
Президент НИЦ «Курчатовский институт», первый руководитель Курчатовского синхротрона рассказал, что такое рентгеноструктурный анализ и синхротронное излучение.

— Что такое твёрдые тела и как рентгеновское излучение помогает их изучать?

 

— У любого вещества есть четыре состояния: твёрдое, жидкое, газообразное и плазма. Твёрдое состояние вещества характеризуется постоянством формы (она не меняется без внешнего воздействия). Свойства твёрдого тела во многом зависят от его атомного состава и структуры, которая определяется взаимным расположением атомов — наличием или отсутствием кристаллической решетки и типом ее симметрии.

 

— Как работает дифракция?

 

— Дифракция — это рассеяние волны на периодической структуре в виде чередующихся ярких и темных полос или пятен. Причём это может быть любая волна — акустическая, волна на поверхности воды или электромагнитная. Изучая такую дифракционную картину, положение линий или пятен на ней, мы можем очень точно определить расстояние между атомами.
Когда рентгеновский пучок попадает на атомную решетку, каждый атом начинает колебаться с частотой рентгеновской волны и испускает вторичную сферическую волну, которая распространяется во всех направлениях по аналогии с кругами на воде от брошенного камня. Вращая кристалл вокруг рентгеновского пучка и регистрируя дифракционные отражения, мы можем собрать полную картину рассеяния кристалла — от всей кристаллической решетки.
Математический анализ положения и интенсивности дифракционных пятен (это очень сложная задача, состоящая из тысяч уравнений и тысяч неизвестных) позволяет определить сорта и пространственное положение всех атомов. Получается, что рентгеноструктурный анализ — это, по сути, «решение обратной задачи по восстановлению атомной структуры по дифракционной картине».
В развитие рентгеноструктурного анализа минералов, кристаллов и белков большой вклад внесли ученые Института кристаллографии. Сейчас этот метод — важнейший инструмент структурной кристаллографии и материаловедения, позволяющий исследовать новые материалы и изучать их свойства на атомарном уровне.

 

— На основе данных рентгеновской дифракции можно, действительно, создавать новые материалы?

 

— Определение структуры и атомного состава твердого тела — это первый, но очень важный шаг для синтеза новых материалов. Именно знание структуры и состава позволяют нам понимать свойства материала, его поведение при различных воздействиях. Зная это, мы можем управлять свойствами твердого тела, изменяя (иногда совсем незначительно) атомный состав или структуру, то есть создавать новые материалы с заданными или предсказанными свойствами. Вот, например, и графит, и алмаз состоят из атомов углерода, но обладают абсолютно разными свойствами. Всё дело в совершенно разных кристаллических решетках: кубической у алмаза и гексагональной у графита. Отсюда и колоссальная разница в твёрдости. Уже сегодня, манипулируя на атомном уровне, мы можем синтезировать совершенно новые материалы, обладающие уникальными свойствами — даже такими, которых нет в природе.

 

— Есть ещё какие-то рентгеновские методы?

 

— Их немало. Когда мы переходим к диагностике изделий из кристаллов, элементам микро- и наноэлектронной промышленности, то проникаем в очень тонкий приповерхностный слой, и нужны уже сверхчувствительные рентгеновские методы. Например, метод стоячих рентгеновских волн, позволяющий видеть положение и тип отдельных атомов. В таких исследованиях, при переходе на нанотехнологический уровень, интенсивности обычной рентгеновской трубки уже недостаточно, нужны гораздо более яркие источники — синхротронного излучения.
Эпопея строительства Курчатовского синхротрона совпала с очень трудными для российской науки годами. Она была долгой и непростой. Но в результате 1 октября 1999 года в присутствии тогда председателя правительства РФ В.В. Путина в Курчатовском институте нами был запущен источник синхротронного излучения. Он и по сей день остается единственным специализированным источником синхротронного излучения на всем пространстве бывшего СССР. Современный Курчатовский источник СИ — мощная междисциплинарная исследовательская установка. Мы проводим на ней самые разные исследования: от классических задач кристаллографии, материаловедения, структурной диагностики изделий наноиндустрии и электронной промышленности, до задач структурного анализа белковых молекул, молекулярной биологии, исследований предметов культурного наследия и принципиально новых гибридных материалов, комбинаций биоорганических и неорганических материалов.

Как получить дополнительный импульс на синхротроне
Электроны в кольце испускают световой пучок только в момент ускорения. Чтобы усилить излучение, в дополнение к поворотным магнитам на кольце синхротрона устанавливают специальные устройства — вигглеры и ондуляторы. Они состоят из нескольких постоянных магнитов, помещенных на прямых участках кольца. При прохождении электронов через поворотные магниты они «брызжут» электромагнитным излучением во всём спектре — от инфракрасной области до рентгеновской.

В отличие от поворотных магнитов, которые просто меняют траекторию летящих по кольцу электронов, магнитные поля вигглеров и ондуляторов заставляют электроны вилять (отсюда и название «вигглер», глагол «to wiggle» в переводе с английского — «извиваться»). Управляют магнитами токи в десятки тысяч ампер. Результатом этого процесса становится мощный поток фотонов с возможностью задавать нужные параметры излучения.

Появление таких усиливающих излучение магнитов стало возможным благодаря академику Виталию Гинзбургу. Советский физик с коллегами впервые рассчитал изменение излучения, которое происходит при попадании ускоренных до скорости света электронов в периодическое магнитное поле. Проходя через него, поток таких релятивистских электронов приобретает совершенно другую энергию. Так эта простая математическая формула превратилась в многомиллиардную индустрию по производству магнитных устройств — вигглеров и ондуляторов.

Наличие вигглеров и ондуляторов на источнике синхротронного излучения определяет его класс (в данном случае — поколение). Например, на Курчатовском синхротроне используется сверхпроводящий вигглер, так что российская установка относится к поколению «2+». В мире на сегодня работает несколько синхротронов третьего поколения: 8 SPRING в Японии, APS — в США и другие.
Михаил Ковальчук о возможностях Курчатовского синхротрона

Уникальность Курчатовского синхротрона и в его в окружении. Ведь на одной площадке, буквально в соседних зданиях, у нас работают синхротронный и нейтронный источники, суперкомпьютер, нанофабрика, мощный центр электронной микроскопии и медико-биологические лаборатории. То есть, мы используем в комплексе самые разные, взаимодополняющие методы. Это наше безусловное конкурентное преимущество. Получается, мы можем благодаря этому смотреть на микро- и наномир с разных точек зрения «двумя глазами», что даёт возможность перейти на качественно новый уровень диагностики, подобно тому, как бинокулярное зрение дает людям ощущение глубины — третьего измерения.

С помощью синхротронного излучения физики и биологи изучают не только структуру клеточной мембраны, но и процессы прохождения через нее биологически активных веществ — например, тяжелых металлов и лекарств. Кроме того синхротронное излучение используется для изучения самых разных биологических тканей: мышечных волокон, волос, эпителия и прочих. А такие знания об особенностях биологических наноструктур — ключ для создания новых методов медицинской диагностики.

Как известно, современная медицинская рентгенодиагностика основана на том, что кости поглощают рентгеновское излучение больше окружающих тканей, поэтому они хорошо видны на снимке. А в синхротронном излучении луч света преломляется на границе между здоровой тканью и опухолью — допустим, между стенкой кровеносного сосуда и тромбом. По этим углам преломления можно судить о состоянии биологических наноструктур. В результате не только повышается качество изображения органов, точность диагноза, но и значительно снижается дозовая нагрузка на организм.

На нашей станции белковой кристаллографии мы исследуем структуры органических макромолекул, белков, ферментов, вирусов. Этому направлению у нас в последнее время уделяется особое внимание, в частности, мы научились успешно синтезировать белковые кристаллы, используя здесь технологические операции твердотельной микроэлектроники. То есть, мы работаем уже на смычке органического и неорганического мира.

Во всём мире всего несколько подобных научных центров, где есть и синхротрон, и нейтронный источник. Создание, содержание и эксплуатация таких крупных научных мегаустановок — очень важная, можно сказать, стратегическая задача. Такие мегаустановки, благодаря их уникальным исследовательским возможностям, обеспечивают высокий уровень отечественной науки, её самодостаточность, а также технологическую независимость нашей страны.