Специалисты Томского политехнического университета и Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) провели цикл экспериментов на стенде УНУ ЭЛВ-6 по экспресс-изготовлению различного типа керамик. Одним из результатов стало получение люминесцентной керамики промышленного качества. Время изготовления составило секунды, при том что получение таких материалов другими методами занимает десятки часов. При такой производительности одна установка может обеспечить мировые потребности в определённых типах люминофорной керамики.

Люминофоры – это кристаллические многокомпонентные системы, как правило, их синтезируют с использованием твердофазных реакций. Температуры плавления компонентов могут достигать 2-3 тысяч градусов Цельсия.

«Смешиваемые компоненты имеют разные температуры плавления. Для облегчения процесса синтеза термическими методами в исходные смеси добавляют дополнительные вещества, от которых потом нужно избавляться. Термические технологии очень чувствительны к режимам сложной совокупности операций, предыстории исходных веществ. Поэтому синтез люминофоров проводится в условиях строгого соблюдения технологического регламента, разного у разных производителей. Существуют и другие методы синтеза с подобными недостатками», – прокомментировал профессор Томского политехнического университета доктор физико-математических наук Виктор Лисицын.

Поэтому постоянно ведутся работы по совершенствованию технологий синтеза. Синтез различных типов керамики, в том числе, люминофорных, с помощью воздействия пучка электронов активно исследуется физиками Томского политехнического университета. Синтез электронным пучком способствует протеканию реакций, поскольку под воздействием радиации материалы приближаются к состоянию, близкому к плазменному. Этот метод позволяет спекать различные вещества, при необходимости меняя состав компонентов. В результате можно синтезировать керамику сложного состава и исследовать, каким образом примеси различных компонентов влияют на свойства конечного материала.

Эксперименты проводились на базе промышленного ускорителя электронов ИЯФ СО РАН, который позволяет выводить мощный сфокусированный электронный пучок в атмосферу. Стенд имеет статус Уникальной научной установки (Стенд УНУ ЭЛВ-6).

«Энергия электронов в пучке может варьироваться по желанию заказчика от 1 до 2,5 МэВ, – пояснил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Михаил Голковский. – Такое значение энергии позволяет пронизывать слой порошка с массовой толщиной около 1 г/см2, что в среднем соответствует толщине слоя порошка около 1 см. Перед облучением порошок с толщиной слоя, несколько превышающей указанную толщину, помещается в массивный медный тигель и перемещается под сканирующим электронным пучком перпендикулярно направлению сканирования. Происходит синтез керамики требуемого состава за счёт сплавления исходных порошковых компонентов».

Михаил Голковский отметил, что этот метод спекания керамики обладает рядом преимуществ. «Продолжительность синтеза из исходных порошковых компонентов составляет секунды, в то время, как процесс изготовления керамик традиционными методами обычно включает несколько стадий и может продолжаться несколько суток. В связи с тем, что для синтеза используются инертные к воздействию атмосферы исходные материалы, в процессе синтеза не происходит изменения химического состава исходной смеси. Кроме того, при таком методе создания материала в него не вносятся загрязнения», – пояснил Михаил Голковский.

Единственная сложность в настоящее время состоит в необходимости размола синтезированной керамики, а она, как и большинство керамик, имеет высокую твердость. По словам Виктора Лисицына, решается и эта проблема: для этого можно использовать электроразрядные методы, не исключены и механические.

«Область применения полученного материала, – отметил Михаил Голковский, – широка. Измельченную люминофорную керамику наносят тонким слоем на поверхность выхода света светоизлучающих приборов, например, на газоразрядные люминесцентные лампы (используются для освещения в большинстве организаций), светодиодные лампы, которые используются для освещения в быту, светодиоды белого света в электронных приборах, фонариках и пр. Также этот материал используется для светодиодной подсветки жидкокристаллических экранов компьютеров, телевизоров и сотовых телефонов».

Получение под воздействием электронного пучка разнообразных керамик из исходных порошковых компонентов – одно из наиболее перспективных направлений работы на стенде УНУ ЭЛВ-6. Исследования по этому направлению были инициированы и проводятся под руководством профессора Виктора Михайловича Лисицына из Томского политехнического университета. На стенде синтезируются различные типы материалов, однако в получении люминесцирующих керамик был достигнут особо заметный успех. Получены люминофоры на основе иттрий алюминиевого граната (YAG), фторида магния (MgF2), фторида бария (BaF2), оксида магния (MgO), магниевого алюмината (MgAl2O4).

Как отметил Виктор Лисицын, ведутся работы, направленные на повышение функциональных свойств синтезируемых керамик, расширению круга синтеза тугоплавких керамик, изучению физико-химических процессов при радиационном синтезе.

В настоящее время исследования по люминесцентной керамике проводятся в рамках гранта РНФ № 23-73-00108 «Экспресс-технология радиационного синтеза высокотемпературной оксидной керамики для фотоники».

Пресс-служба ИЯФ СО РАН

НТИ запускает пятый Всероссийский конкурс кружков.

К участию приглашаются детские и молодежные технологические кружки, студенческие технологические команды и учреждения, выступающие площадками для работы кружков. При грантовой поддержке Российского движения детей и молодежи «Движение Первых» в рамках конкурса впервые проводится отбор кружков юных техников.

Юбилейный Всероссийский конкурс кружков организован при поддержке Министерства просвещения РФ, Министерства науки и высшего образования РФ, Российского движения детей и молодежи «Движение Первых», АНО «Платформа НТИ», Агентства стратегических инициатив и сети «Точек кипения». Заявки на конкурс принимаются до 1 декабря 2023 года: https://konkurs.kruzhok.org/. 

«С 2019 года участниками конкурса стали более 3000 кружков со всей страны. Это не только возможность рассказать о себе и попасть на Карту кружков. На базе конкурса формируется мощное сообщество технологических кружков страны – они поддерживают друг друга, обмениваются лучшими практиками, запускают клубы и совместные детско-взрослые проекты, – подчеркнул проректор НИУ ВШЭ, ответственный секретарь оргкомитета Национальной технологической олимпиады, лидер Кружкового движения НТИ Дмитрий Земцов. – В этом году совместно с «Движением Первых» мы впервые проводим отбор кружков юных техников. Эти кружки не просто получат новый статус – они станут ключевыми площадками реализации технологического направления «Движения Первых», сдачи нормативов технологической грамотности «ТехноГТО» и других наших совместных проектов».

В 2023 году конкурс кружков проводится по трем основным трекам. Трек «Технологические кружки» предназначен для кружков, которые формируют интерес школьников к инженерии и техническому творчеству; здесь представлены три возрастные лиги: младшая (кружки для школьников 1-4 классов), средняя (для 5-8 классов) и старшая (для 9-11 классов).

На трек «Студенческие технологические команды» приглашаются научные объединения и кружки на базе вузов и колледжей, молодежные стартап-команды, студенческие конструкторские бюро и другие молодежные организации, которые занимаются разработкой технологических проектов. 

В треке «Среда развития кружков» принимаются заявки от организаций, на базе которых действуют несколько технологических кружков и создаются условия для научно-технического творчества школьников и студентов. К участию приглашаются школы, вузы, колледжи, технопарки, ЦМИТы, Кванториумы и другие организации, которые на своих площадках развивают кружковую работу.

Чтобы получить статус кружка юных техников, необходимо зарегистрироваться на платформе «Талант» Кружкового движения, провести одно или несколько специально разработанных мероприятий для школьников и заполнить анкету-заявку. Среди предложенных кружкам мероприятий – Уроки НТО, «Час Берлоги», образовательные игры и мастер-классы, просветительские мероприятия, посвященные технологическому творчеству, и др.

«Одной из важных задач «Движения Первых» является поддержка талантливых детей в сфере технического творчества и повышение престижа технологического образования в России. Объединяя накопленный методический опыт Кружкового движения НТИ и организационные возможности «Движения Первых», мы возрождаем движение юных техников в нашей стране. Ключевым мероприятием этого года станет первый Слет кружков юных техников в ноябре в Новосибирске», – отметил Председатель правления Российского движения детей и молодежи «Движение Первых» Григорий Гуров.

Также в рамках треков Всероссийского конкурса кружков 2023 года формируются дополнительные тематические номинации от партнеров Кружкового движения НТИ, информация об их запуске будет публиковаться на сайте https://konkurs.kruzhok.org/. Экспертный совет конкурса составит рейтинг участников каждого трека и определит победителей и призеров. Все заявившиеся кружки будут размещены на интерактивной карте технологических кружков России map.kruzhok.org.

Ведущий научный сотрудник Института археологии и этнографии СО РАН доктор исторических наук Андрей Павлович Бородовский не раз рассказывал нашим читателям про археологические находки времен скифов и гуннов. Но обычно речь шла о предметах культа, оружии, котлах, зеркалах и т.п. Но какую информацию можно узнать из остатков древних колыбелей и что такое «сумак» - об этом в сегодняшнем интервью с ученым.

– У Вас вышла статья про находки сумаков на территории Сибири и Центральной Азии. Что это за предметы и чем они интересны науке?

– Сумаки - это мочевыводящие трубки катетеров из переносных младенческих колыбелей, которые используются кое-где до сих пор. Сейчас их обычно изготавливают из дерева, но изначально, традиционные сумаки делали  из длинных костей баранов, овец и косуль. Существовали специальные трубочки для девочек и мальчиков, в конструкции которых были учтены все физиологические особенности. Так что можно сказать, что древние кочевники исходя из своих мобильных условий повседневной жизни достаточно эффективно решили эти проблемы младенческой гигиены в глубокой древности, задолго до современных памперсов. Часто сумак – единственная сохранившаяся часть колыбели, которую можно зафиксировать на археологических памятниках.

– Насколько широко распространено было это устройство?

–   Достаточно широко от Средней Азии до Кавказа и Крыма. Сумаками пользовались крымские караимы, греки, живущие при Азовском море, таджики, жители Дагестана, армяне, азербайджанское население и многие другие народы. Сумаки находили и на территории Венгрии. Конечно, существовали некоторые отличия в технологии изготовления, материалах, названии (где-то их называли сунак или шумек, к примеру), но в целом принцип устройства сохранялся, и оно прочно вошло в традицию ухода за младенцами, что отмечают уже не археологи, а этнографы. Как кстати и сам тип жесткой колыбели – бешик, который многие народы используют до сих пор.

– А это важно, знать, какой колыбелью пользовались в прошлом или какими устройствами для ухода за младенцем она оснащалась?

– Конечно, важно. Все мы родом из детства, и оно на всех накладывает свой отпечаток, иногда – в буквальном смысле слова. Так, ребенка, лежащего в бешике, привязывают к колыбели специальными ремнями, ограничивающими его движения. Популярность люлек типа бешиков (с сумаками) среди многих кочевых и полукочевые племен можно объяснить тем, что ребенок, привязанный ремнями к колыбельке, не требует постоянного присмотра, что позволяет взрослым заниматься своими делами. Побочный эффект лежания в такой колыбели с постоянно находящейся жесткой подушкой – так называемая люльковая деформация черепа. Это уплощение затылочной кости, которое до сих пор можно наблюдать у людей и сегодня пользующихся твердой колыбелькой, например, у осетин, узбеков, казахов, ингушей и многих других.

Но для ученых еще важнее то, что через распространение сумаков мы можем проследить культурные контакты между древними культурами, поскольку это устройство явно заимствовали, а не изобретали заново каждый раз. Об этом говорит высокая схожесть технологии изготовления, конструкции, которая имеется между предметами, найденными в самых разных регионах. Распределение находок на карте Южной Сибири и исследования костных комплексов позволяют сформулировать гипотезу, что изначально сумаки относились не к культуре хунну, находящейся под китайским влиянием, а, скорее, происходят от кочевых племен южной Сибири, точнее Русского Туркестана. А вот его относительно быстрому распространению среди других народов, о чем говорят сумаки, найденные от Тувы до Киргизии, очевидно, способствовали частые миграции «гуннских» племен.

Кстати, до недавнего времени их практически не находили на территории Горного Алтая. Но нам, как всегда, повезло и на поселении Чултуков Логу-9 (Майминский район Республики Алтай) такие предметы удалось обнаружить, что позволило нашим польским коллегам (К. Михальчевский Институт археологии Краковского, Ягелонского университета) даже изготовить их точные копии и экспериментально восстановить весь процесс их изготовления – от целой ноги косули до готового предмета.  

Однако, самое главное, это загадка – почему в хунно-сяньбийское время на территории Южной Сибири (Алтай, Тува) такие приспособления младенческой гигиены есть, а в этнографических материалах этих регионах они отсутствуют. Один из ответов на этот вопрос напрашивается сам собой – это последствия исхода далеких предков этносов в эпоху Великого Переселения Народов на сопредельные территориальные просторы Евразии, года здесь властвовали могущественные хунну, известные в последствии как гунны. Как говорится «волны истории» потом схлынули, а традиция осталась.

– Сумак в этом плане уникален, или другие предметы детского обихода тоже могут нести интересную информацию о миграциях и культурных связях разных культур?

– Такую информацию можно получить от самых разных предметов. Яркий пример – в свое время отечественный этнограф, доктор исторических наук, профессор Галина Ивановна Пелих обратила внимание на то, что устройство младенческих колыбелей у селькупов, самодийского народа, живущий на севере Западной Сибири, практически идентично колыбелям, которыми пользовались шумеры – древний народ, проживавший на востоке от Средиземного моря. Выводы можете делать сами.

Вообще, практически вся окружающая предметная среда, связанная с детством, включая гигиенические приспособления не только сверхтрадиционна, но и предельно исторична. И если изначально в археологических исследованиях находки, связанные с детьми, практически игнорировались и доисторическая реальность воспринималась исключительно через призму призма взрослых, то с 1990-х годов начал развиваться интерес к детям и детству. И сегодня мы можем говорить о целом направлении – археологии детства.

Нельзя сказать, что здесь накоплен большой багаж находок, обычно их можно разделить на две категории: детские погребения (остеологический материал) и миниатюрные предметы, интерпретированные как игрушки. Но на примере исследования сумака понятно, что эти артефакты могут рассказать гораздо больше, чем просто о том, как протекало детство у представителей разных народов и эпох.

– Вот, кстати, появление такого относительно сложного устройства младенческой люльки именно у кочевых народов, по сути, опровергает миф о том, что они были дикарями, которые разоряли и разрушали более развитые земледельческие культуры?

– Если мы говорим о Сибири, то надо помнить, что в то время земледелие здесь носило очаговый культур и ни о каких развитых земледельческих культурах речи не было. Первыми, кто смог организовать системное земледелие в сибирских экстремальных условиях были русские поселенцы, пришедшие в эти места на много веков позднее.

А во-вторых, оценки культуры кочевников как более отсталой – неверны, поскольку обычно это делают, применяя к ней критерии принципиально другого общества – земледельческого. А это, как минимум, некорректно. Культура кочевников развивалась в других условиях, решала другие задачи и по-своему делала это довольно успешно. Мы можем видеть это на примере обеспечения младенческой гигиены в условиях, когда родители не могли подолгу находиться рядом. Но есть схожие примеры и в других областях быта, так что это были довольно развитые культуры, просто не похожие на те, что мы называем оседлыми.

Сергей Исаев

«Пройти между Сциллой и Харибдой» – так образно охарактеризовал проблемы любой терапии академик Сергей Деев, представлявший Институт биоорганической химии РАН (Москва) на Втором Международном конгрессе «CRISPR-2023». В данном случае речь шла об онкологии. Ученые исходят из того простого принципа, что «лекарство сладким не бывает» - в том смысле, что лечение тяжелых заболеваний всегда оборачивается стрессом для организма. К онкологии это относится в первую очередь. Хотим мы того или нет, подчеркивает ученый, но лекарство против рака всегда будет ядом.

Главное здесь – грамотно рассчитать концентрацию препарата, чтобы лекарство справилось с патогеном, не уничтожив при этом здоровые клетки. Врачам приходится учитывать разницу между концентрацией, способной вылечить, и концентрацией, способной нанести непоправимый ущерб. Это как раз и есть тот узенький проход между Сциллой и Харибдой, через который нужно «перевезти» больного. «Задача всех практических работ, - отметил Сергей Деев, - направлена на то, чтобы раздвинуть концентрацию этих соединений. Фармакологическое окно улучшается, и у пациента появляется больше шансов выжить и при этом не остаться инвалидом».

Вопрос: какими путями этого достигнуть? Делается это с помощью так называемых «адресных соединений», уточнил ученый. Речь идет о таргетной терапии онкологических заболеваний. Говоря по-простому, к молекуле, которая убивает раковую клетку, присоединяется агент, способный доставить ее в нужное время и в нужное место. Вроде бы всё здесь хорошо. Но на самом деле это не так, признается Сергей Деев.

Даже если взять препарат с адресной молекулой, то это поможет только определенной части пациентов. Для кого-то вообще не будет никакого эффекта, а отдельным пациентам станет только хуже. То есть, несмотря на то, что мы берем таргетный препарат, он не решает всей проблемы. Отсюда появляется следующая задача – сделать таргетную терапию персонифицированной, чтобы у каждой таблетки был максимально высокий терапевтический эффект.

Как решается эта задача? Здесь также имеется адресная доставка, как и в существующей тергетной терапии. Но помимо этого появляется еще один компонент – к адресам прикрепляется диагностический или терапевтический агент. Причем, разъясняет Сергей Деев, диагностический агент не менее важен, чем терапевтический. «Хорошие врачи, - напоминает ученый, - прекрасно понимают, что самая лучшая терапия – это ранняя высокоточная диагностика». В данном случае мы говорим о тераностике, которая подразумевает адресную доставку – воздействие на клетки с определенным «молекулярным портретом». Также сюда входит создание бифункциональных соединений, включающих в себя нацеливающую часть и совмещенных с терапевтическим или диагностическим агентом. Именно в этом направлении движется сейчас Институт биоорганической химии РАН, где уже работают с разными группами соединений.

Принципиальным моментом для решения указанной задачи являются сами подходы к ее решению. Сергей Деев привел на этот счет несколько таких подходов. Прежде всего, он обратил внимание на использование радионуклидов, которые, по его словам, переживают сейчас «реинкарнацию». У нас в стране было немало горячих голов, пытавшихся использовать радионуклиды для лечения рака. Однако, заметил ученый, в большинстве случаев это не работало. В принципе, вполне возможно лечение при заболевании отдельных органов (например, щитовидной железы, в который может накапливаться йод). Но в целом говорить об эффективности подобных препаратов без таргетности невозможно. Однако уже сейчас за рубежом созданы и успешно применены препараты, разработанные в рамках концепции тераностики – когда терапевтический потенциал (конкретно, жесткое бета-излучение) совмещается с диагностикой (гамма-излучение). Такой препарат применялся против рака простаты. И, как следует из отчетов, для пациента всё закончилось благополучно после трех курсов приема препарата.

В настоящее время, говорит Сергей Деев, уже создана технология, позволяющая получать малые молекулы (молекулы-скаффолды) с сильными биотехнологическими и фармакологическими свойствами. Их можно производить много и дешево, а некоторые можно чуть ли не кипятить. Последний момент очень важен, поскольку для радионуклидного мечения необходимо осуществлять, нагрев примерно до 80 градусов Цельсия в течение часа. Антитело за это время может полностью свариться, чего не скажешь об упомянутых молекулах. Сейчас этой технологией заинтересовались отечественные компании, которые обратились в Институт с соответствующим коммерческим предложением. В результате удалось провести необходимые начальные испытания.

В свете указанного изобретения работа с антителами становится даже не вчерашним, а позавчерашним днем применительно к методу доставки радионуклидов для диагностических целей, считает Сергей Деев. Упомянутые молекулы-скаффолды показывают себя в этом деле блестяще. Данный пример, по словам Сергея Деева, наглядно демонстрирует, как рациональный дизайн молекул позволяет оптимизировать фармакокинетику и фармакодинамику одновременно.

Идя тем же путем и применяя нестандартные решения, наши ученые пытаются усовершенствовать и другие хорошо известные методики лечения онкологических заболеваний. Например, фотодинамическую терапию и химиотерапию агрессивных опухолей. Так, впервые была предложена стратегия одновременного нацеливания на разные участки одного и того же рецептора опухолевой клетки двух противоопухолевых агентов с разными механизмами действия. Было получено строгое синергетическое действие этих токсинов на опухоль, позволившее существенно замедлить рост опухоли и предотвратить появление метастазов. При этом действующая доза токсинов была снижена в тысячу раз!

Конечно, из-за обилия специальных термином неспециалисту практически невозможно разобраться в тонкостях всей этой «кухни». Однако ясно одно: работа в данном направлении продолжаются, а методы лечения совершенствуются. Поэтому не исключено, что новые подходы в скором времени приведут к заметным качественным улучшениям на данном поприще.

И напоследок необходимо обратить внимание на экономический аспект, связанный с развитием онкологической тераностики. На него специально обратил внимание Сергей Деев. Почему так важно поддерживать такие исследования? Не только из соображений поддержки национального здравоохранения. Дело в том, что удачный препарат способен принести государству прибыли, соизмеримые с тем, что мы пытались заработать на нефтегазовых проектах вроде СП-2. Необходимо напомнить, что борьба с онкологией имеет глобальное значение. А потому успехи наших ученых будут также оцениваться на глобальном уровне. Крупные компании серьезно просчитывают доходы от продаж эффективных лекарств. И России не стоило бы терять свое место в списке государств с передовой медициной и фармакологией. Поэтому финансирование подобных исследований не является тратой впустую. Применительно к борьбе с онкологией такие вложения являются хорошими инвестициями. В конце концов, если мы бились за то, чтобы наша вакцина против ковида была признаваема во всем мире, то хороший современный препарат против рака также оказался бы не менее актуальным и востребованным.

Николай Нестеров

Ученым НГУ с помощью методов радиоуглеродного датирования и изотопного анализа удалось установить возраст поселения, выявить особенности образа жизни захороненных в кургане людей, узнать, чем они питались и насколько рацион женщин отличался от пищи мужчин.

Археологические раскопки кургана № 51 саргатской культуры раннего железного века на могильнике Усть-Тартасские курганы (Венгеровский район Новосибирской области) проходили под руководством заместителя директора по науке Института археологии и этнографии СО РАН, академика Вячеслава Молодина и доцента кафедры археологии и этнографии Гуманитарного института Новосибирского государственного университета, доктора исторических наук Людмилы Мыльниковой. Раскопки проводились ручным способом без использования техники.

Впервые для сибирского региона был исследован «элитный» курган саргатской культуры раннего железного века с многочисленными неграблеными погребениями, для которых получен статистически значимый набор радиоуглеродных дат и календарных возрастов, а также результатов анализа стабильных изотопов, выявивший особенности образа жизни усопших и хронологии погребений. Весь мультидисциплинарный комплекс научных работ выполнен в Новосибирской области.
Саргатская культура – культура раннего железного века, относится к культурам скифского круга. Ее население занимало огромную территорию между Ишимом и средним Иртышом, а возможно, простиралась чуть ли не до берегов Оби. Существовала более тысячи лет: ученые датируют культуру VII-V вв. до н.э. – III-V вв. н.э.

По количеству выявленных погребений, погребальному обряду и сопроводительному инвентарю обследуемый курган был отнесен учеными к разряду элитных объектов. В нем была обнаружена большая серия не ограбленных погребений, в которых захоронены дети, мужчины и женщины.

- Мы исследовали 22 погребения. Все они снабжены наборами сопроводительного инвентаря: женщины в большинстве случаев – тремя сосудами, мужчины – двумя. И те, и другие, кроме разнообразного набора изделий, имели однолезвийный железный нож. В мужских захоронениях встречались железные и костяные наконечники стрел и пряжки. Женщины из трех захоронений были похоронены в меховых или матерчатых шапочках, расшитых разноцветными бусинами и бисером, в том числе сделанными из стекла. В отдельных случаях даже удалось выявить тончайшие серебряные нити и шнурочки, на которых эти изящные подвески крепились к головным уборам. Еще одной интересной особенностью данных головных уборов явились ряды фигурных бронзовых бляшек, горизонтально нашитых в один ряд на лобной части головного убора. Бляшки имели индивидуальную форму для каждой женщины. В одном погребении помимо двух крупных округлых бронзовых бляшек находились ещё две золотые, украшенные выдавленным пуансоном декором. Также нами были найдены редкие изделия, например, шейная бронзовая гривна и костяная подвеска с изображением кабана. Примечательно, что некоторые из найденных изделий изготовлены по технологиям, не практиковавшимся в нашем регионе в то время. Это подчеркивает высокий статус погребенных, - рассказала Людмила Мыльникова.

Ученые отметили интересную особенность построения сакрального пространства кургана - наложение некоторых могильных ям друг на друга. Это дало им возможность построить относительную хронологию объекта, которая позднее была подтверждена радиоуглеродным методом.

Сотрудники Центра коллективного пользования «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ-ННЦ» радиоуглеродным методом произвели датирование 17 костных фрагментов. Статистическую обработку полученных результатов выполнил сотрудник Института интеллектуальной робототехники НГУ Петр Меньшанов, анализ стабильных изотопов (δ13C и δ15N) в коллагене костных фрагментов проводила сотрудник лаборатории изотопных исследований ИАЭТ СО РАН.

В результате исследований выяснилось, что для всех захоронений памятника характерна небольшая величина вариации значений изотопных сдвигов, свидетельствующая в пользу однотипности диеты у захороненных на территории памятника, а также в пользу короткого временного промежутка, в который жили представители этой культуры. Небольшие различия в уровне изотопных сдвигов между мужчинами и женщинами Саргатской культуры на протяжении второй фазы существования памятника позволяют предположить некоторое преобладание в рационе женщин белковой пищи по сравнению с мужчинами, по-видимому в результате большей стабильности богатого белком рациона и более оседлого образа жизни женщин рядом с богатой рыбой рекой в сравнении с мужчинами.

- Байесовское моделирование хронологии комплекса на основе радиоуглеродных дат, полученных с помощью ускорительной масс-спектрометрии, предполагает высокую вероятность использования кургана в диапазоне между 200 и 40 годами до н.э. при этом «первая очередь» погребений (примерно 25%) могла происходить асинхронно в период до 150 года до н.э.. Пик захоронений (приблизительно 75%) «второй очереди», вероятнее всего, пришелся на период со 150 по 120 годы до н.э., а последним событием на кургане стало погребение №13, которое могли произвести не ранее 110 года до н.э., - пояснила директор ЦКП «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ-ННЦ», исполняющая обязанности заведующего кафедры физической химии Факультета естественных наук НГУ Екатерина Пархомчук.

Археологическая работа проводилась в рамках проекта РНФ № 22-18-00012 «Элитные курганы саргатской культуры раннего железного века в Обь-Иртышской лесостепи (Новосибирская область)». Радиоуглеродное датирование выполнено при поддержке проекта программы «Приоритет-2030».  

Пресс0служба Новосибирскго государсвенного университета

Искусственный интеллект называют черным ящиком. Он может решать сложные задачи и давать практические ответы, но как он это делает, как приходит к определенным выводам и результатам, до конца неизвестно. Мы поговорили о том, как работает ИИ с математической точки зрения, в чем его польза и основная опасность, с директором и заведующим лабораторией искусственного интеллекта и информационных технологий Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН профессором РАН, доктором физико-математических наук Михаилом Александровичем Марченко.

— Что такое искусственный интеллект?

— Согласно традиционным представлениям, ИИ — аналог естественного интеллекта человека. Практически — это вычислительный метод, который помогает анализировать данные, делать прогнозы и принимать решения. Но я сужаю понятие ИИ до машинного обучения или нейросетевых вычислений, так как практически всё, что делается сейчас, связано с этой технологией. Хотя существуют и другие направления, например сильный ИИ, то есть машинный разум, по замыслу не уступающий человеческому.

— Есть ли интеллект у искусственного интеллекта?

— Начнем с того, что мы точно не можем сказать, что такое естественный интеллект. Есть разные варианты этого понятия, но цельной картины не получается. Что происходит в голове у людей или даже у животных, до конца непонятно. Я считаю, что у ИИ нет интеллекта и непонятно, будет ли. Но есть хорошо работающие имитационные системы, например нейросеть ChatGPT. Она распознает речь и отвечает на вопросы. Я могу спросить, как работает нейросеть, и она мне ответит. Но бывают сложные вопросы, с которыми ChatGPT не справляется. Однако ответ выдать обязана, поэтому незнакомые места нейросеть заполняет похожими словами. Тем не менее ChatGPT всё равно не интеллект, а программа. 

— Как устроена нейросеть?

— Нейросеть, или нейросетевая модель, — это компьютерная программа, которая с точки зрения математики реализует некоторую приближенную функцию. Для построения такого приближения сначала выбирается так называемая архитектура нейросети, которая определяет алгоритм последовательной обработки входной информации и получения выходной. Если эти этапы алгоритма изобразить на рисунке, то получается структура, чем-то напоминающая цепочки нейронов в мозге, отсюда и название — нейросеть. 

В нейросети присутствуют неизвестные вначале параметры, они численно определяются процедурой, называемой обучением. Обучение производится по заданному набору значений — обучающей выборке, в которую входят известные входные данные и соответствующие им выходные. Данные для обучения должны быть достоверными и, как принято говорить, размеченными – заранее должно быть известно, что они описывают.

Обучение — вычислительно сложный процесс, и есть много способов, как его осуществлять. Математики говорят, что при этом производится нелинейная оптимизация. Обученную в результате этой процедуры нейросетевую модель нужно проверить на независимых от обучающей выборки данных. Так, нейросеть ChatGPT тренировали и проверяли с помощью суперкомпьютеров на огромных массивах данных в течение нескольких месяцев. 

В итоге мы получаем готовую к использованию нейросетевую модель. Она является программным инструментом, численно приближающим неизвестную нам взаимосвязь, которая существует в природе или технической системе. На вход нейросети будут подаваться данные, и путем вычислений получаться выходные, например ChatGPT на заданный вопрос будет давать ответ.

— С чего началась история нейросетей и машинного обучения?

— Работы по нейросетевым моделям начались с результатов исследований выдающихся советских математиков Андрея Николаевича Колмогорова и Владимира Игоревича Арнольда. В 1957 году они решили тринадцатую проблему Гильберта о представлении произвольной функции нескольких переменных с помощью функций с одной или двумя переменными. В математике эта область исследований называется теорией приближений. Эти и последующие работы определили математические основы нейросетевых моделей.

Технологии машинного обучения известны еще с 1950-х годов. Тогда был предложен персептрон, одна из первых нейросетей, которая имитировала работу нейронов в мозге. Дальше ученые конкретизировали задачи, стали взаимодействовать на стыке разных дисциплин: математики, естественных наук и программирования. Широко использовать эти технологии начали совсем недавно, буквально 10—15 лет назад, когда нейросетевые модели научились эффективно реализовывать на доступных графических процессорах. 

Графический процессор состоит из простых вычислительных ядер, объединенных в группы. Для вычислений на нем используются технологии распараллеливания. Тогда ядра решают задачу не последовательно, а некоторое время независимо. Уже впоследствии они обмениваются данными. Математики, инженеры и программисты начали применять нейросети для обработки больших данных, чтобы на их основе прогнозировать динамику природных или технических систем и принимать решения. 

— В чем основная проблема искусственного интеллекта?

— Основная проблема в том, что применение современных нейросетевых моделей с точки зрения математики не обосновано. Нет проверенной информации о вычислительной погрешности и точности прогнозирования. Математически проработанные результаты существуют только для простейших нейросетей. Даже в этом случае приходится строить весьма сложные рассуждения. 

Еще одна проблема — достоверность данных в обучающей выборке и их полнота. Ведь нейросеть чему обучена, то и выдает как результат работы. Например, нейросетевая модель обучена распознавать фотографии кошек. Глядя на картинку, мы понимаем, что перед нами кошка, даже если поменять цвета пикселей, ввести так называемый шум. А вот нейросеть может ее уже не распознать, она работает только с теми данными, на которых обучена. Не исключено, что зашумленное изображение кошки туда не входит. 

— Математика лежит в основе ИИ, но, как наука, она довольно абстрактна. Мешает ли это развитию ИИ или помогает?

— Математика бывает весьма конкретной! В подтверждение я расскажу про методологию математического моделирования, которая имеет прямое отношение к нейросетям.

Что такое математическое моделирование? Рассмотрим такой пример: берем воздух, которым мы все дышим. Никто не видит, из чего он состоит, но ученые разработали атомистическую модель. Свойства воздуха описывает математическое уравнение, которое носит имя великого ученого Людвига Больцмана. Оно хорошо отражает процессы, происходящие в газе, но весьма сложное, решение уравнения не запишешь в аналитическом виде. Поэтому для его приближенного решения записывается алгоритм — последовательность действий с числами. Мы, математики, обосновываем, как алгоритм соответствует решению уравнения и как из него сделать экономичную и эффективную программу для конкретного компьютера. 

Математическая модель, алгоритм, программа — это триада математического моделирования. Ее сформулировали академики Александр Андреевич Самарский и Николай Николаевич Яненко. Очень важно, что с помощью такого подхода можно проводить глубокий анализ сложных физических процессов (в приведенном примере — динамики газа) и прогнозировать их состояние в зависимости от изменений параметров.

Нейросетевая модель строится по другому принципу, поэтому ее можно считать особым видом математической модели. Если в рамках триады математического моделирования мы идем последовательно от уравнения к программе, то при нейросетевом подходе сразу записывается программа, а ее параметры определяются на основе наблюдаемых данных. Они могут сниматься с сенсоров, датчиков и так далее. Получается: вот они данные, а вот она вычислительная модель, и непонятно, есть ли между ними мостик — математическое обоснование. Глубокий анализ физических процессов, особенно при изменении параметров, с помощью нейросетей уже не проведешь. 

Нейросетевые модели не проходят этапы обоснования, как в триаде математического моделирования. Пока математики их не обоснуют, полностью доверять им нельзя. 

Хороший пример приводил академик Сергей Константинович Годунов. При вычислении собственных, заранее известных значений матрицы с помощью пакетов прикладных программ (Matlab, Maple и другие) появляется существенная ошибка. Мы подаем матрицу на вход этим пакетам, и все они выдают отличающиеся от точных значений собственные числа. Нам говорят, раз вы купили пакет, то можете ему доверять. А как доверять, если он даже такой относительно простой тест не проходит? Так и с нейросетями, увы.

— Какова основная опасность искусственного интеллекта?

— Вычислительная техника развивается настолько быстро, что математика за ней не поспевает. Оказалось, что нейросети можно собирать из готовых компонентов, как из деталей конструктора, и получать работающую программу. Помимо этого, нейросетевые модели очень уязвимы. Например, можно в обучающем наборе злонамеренно или по ошибке предоставить недостоверные данные. Из-за этого параметры нейросети будут определены неправильным образом, и нейросеть будет выдавать ошибочный или зловредный ответ при вполне правильных входных данных. 

Чтобы не допустить появления такого рода уязвимостей, нужна методология проверки нейросетей перед использованием. У каждой нейросети должен быть стандартизированный сертификат качества и открытая информация, по которой можно будет судить о качестве ее работы. 

— На каком этапе развития искусственного интеллекта находимся сейчас мы? 

— Сейчас происходит разработка программно-аппаратных систем ИИ для решения сложных задач: распознавания изображений в системах компьютерного зрения транспортных средств, разработки систем принятия решений в промышленности, создания продвинутых медицинских помощников и так далее. Специалисты совершенствуют архитектуры нейросетей, изобретают новые модели и обучают их, придумывают новые методы оптимизации и ускорения работы. Крупные компании активно увеличивают мощности суперкомпьютеров. Например, компания «Яндекс» запустила суперкомпьютеры на графических картах, которые используются для разработки клиентских сервисов, основанных на ИИ.

Еще одно перспективное направление — создание цифровых двойников природных и технических систем. Это программно-аппаратные комплексы, которые в режиме реального времени берут информацию с датчиков. На основе их обработки нейросети дают прогнозы и делают выводы для принятия решений. Наш институт вместе с коллегами из ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов», ФИЦ «Институт катализа им.  Г. К. Борескова СО РАН» и Конструкторско-технологического института научного приборостроения СО РАН занимается созданием цифрового двойника СКИФа.

Также сейчас происходит этап определения уровня доверия к результатам работы систем ИИ, их сертификация. В Америке норма разработана Национальным институтом стандартов и технологий, а у нас недавно был принят соответствующий ГОСТ. 

— Может ли искусственный интеллект саморазвиваться?

— Нейросети имеют возможность дообучаться и самообучаться. В результате они совершенствуются, улучшаются их прогностические возможности. При правильной постановке дела могут появиться полностью автоматические системы ИИ для принятия решений в промышленности, медицине, транспорте и так далее.

— Могут ли нейросети рассказать что-то новое о работе человеческого мозга?

— Считается, что определенные виды нейросетей — это модели мозга. Пусть они и грубые, но что-то новое о работе мозга мы, возможно, сможем узнать. В истории уже были примеры, когда с помощью грубой модели делали новые открытия. Известно, что модель распространения тепла, или уравнение диффузии, как его еще называют, изначально формулировалась как модель распространения тепла в так называемом теплороде. До начала XIX века считали, что всё пространство заполняет теплород. Казалось бы, грубая модель, но оказалось, что с ее помощью можно описывать распространение тепла. Уже позднее ученые поняли, что теплорода нет, а сама модель в виде уравнения существует и активно используется до сих пор.

— Можно ли обучить искусственный интеллект этическим нормам и сделать его человечнее?

— Можно построить обучающую выборку из объектов с оценками «хорошо» и «плохо», но есть же тонкие ситуации. Например, мы обучаем нейросеть выбирать оптимальный вариант действий, она усваивает ту самую выборку и ею пользуется. Человек в состоянии депрессии задает ей вопрос: «Моя нервная система в очень плохом состоянии, что лучше сделать: умереть или жить?» Не исключено, что нейросеть выберет первый вариант. Потому что она получила на вход состояние человека, которое соответствует оценке «плохо», и выбрала оптимальный вариант действий по ранее заданной шкале значений. Но этическую сторону вопроса нейросеть не примет во внимание.

На мой взгляд, нейросеть никогда не заменит человека. Тут можно вспомнить писателя-фантаста Станислава Лема. Он много писал о том, что ИИ — это бездушная программа, и человек для него ничего не значит. В работе с людьми, их здоровьем и так далее нельзя применять полностью автоматические системы ИИ. Тут важно понимать разницу между автоматическими и автоматизированными алгоритмами. В автоматических компьютер сам принимает решение, в автоматизированных — только помогает человеку принять. Если будет допущена такая ошибка, что человека выведут из контура управления, то ключевые решения будет принимать не человек, а сам компьютер. Тогда могут начаться серьезные проблемы. 

Нет сомнений, что сфера применения ИИ будет дальше расширяться революционными темпами. Я считаю, важно понимать, что вопросам математического обоснования методов ИИ и стандартизованной проверки качества их работы должно уделяться максимум внимания. И уверен, что полностью доверять ИИ неразумно, а валидировать результаты его работы всегда должен только человек.

Полина Щербакова

В список лауреатов премии правительства Новосибирской области для молодых ученых этого года вошел исследователь Новосибирского государственного университета, автор ряда перспективных разработок в области биофотоники. В их числе – новые приборы, методы изучения клеток и разработка новых химических веществ, преобразующих энергию света в биологические эффекты.

Биофотоника – область науки и техники, в которой используется свет для получения информации о биологических системах и воздействия на них. Ученые Новосибирского университета не первый год ведут исследования в этом направлении, результаты, полученные одним из них – заведующим лабораторией оптики и динамики биологических систем Физического факультета НГУ, к.ф.-м.н. Александром Москаленским и были отмечены премией I степени правительства области для молодых ученых в этом году в номинации «лучший молодой изобретатель».

Награду вручили не за отдельное достижение, а за комплекс результатов, полученных в последнее время. В их числе метод активации тромбоцитов, который позволяет следить за протеканием этого процесса в каждой клетке в реальном времени (что было невозможным при использовании классических методов).

Другая разработка - прибор для измерения люминесценции синглетного кислорода (одна из активных форм этого газа). Он пригодится, например, для фотодинамической онкотерапии, в ходе которой раковые клетки уничтожаются как раз активными формами кислорода.

«Мы используем этот прибор в лаборатории для анализа разработанных нами химических веществ, так как большинство из них тоже производят синглетный кислород под действием света», рассказал Александр Москаленский. А само создание таких веществ, преобразующих энергию света в биологические эффекты, также вошло в перечень результатов, отмеченных премией правительства.

Ранее коллективом лаборатории была создана молекула, которая под действием ультрафиолетового света распадается с выделением адреналина. Но, поскольку ультрафиолетовый свет не очень биосовместимый, исследователи сосредоточились на веществах, работающих в видимом или ближне-инфракрасном диапазоне. «Одно из последних достижений – это молекула, выделяющая под действием красного света с длиной волны 670 нм оксид азота, важную биологическую молекулу, которая у нас в организме регулирует тонус сосудов, давление и многое другое», – отметил ученый.

В настоящее время работа практически по всем направлениям продолжается (так, исследование тромбоцитов поддержано грантом РНФ). «Мы также начали применять методы нанофотоники, чтобы, в частности, сдвинуть длину волны активации наших веществ в область прозрачности тканей (так называемого «терапевтического окна» - ближней инфракрасной области спектра). Это важно с точки практического применения полученных нами результатов. Надеюсь, что использование в будущем новой исследовательской инфраструктуры в кампусе НГУ позволит повысить эффективность нашей работы», – подчеркнул Александр Москаленский.

Напоминаем, речь идет о научно-исследовательском центре, который является частью нового университетского кампуса мирового уровня, строящегося в рамках национального проекта «Наука и университеты». Согласно планам, он должен быть введен в строй не позднее конца 2025 года, а в настоящее время идет отбор лабораторий и научных групп, которые в числе первых смогут воспользоваться этой инфраструктурой.

Сергей Исаев

Вопрос выбора пути развития Академгородка в последнее время звучит все чаще. По мере того, как становится ясно, что программа «Академгородок 2.0», торжественно представленная пять лет назад, сама по себе динамичного развития Новосибирского научного центра не гарантирует. В результате, о необходимости особого статуса для Академгородка говорят СО РАН, бизнес, работающий на его территории и люди, живущие здесь. А значит, проблема действительно назрела.

Что интересно, при всей разнице подходов к ее решению, практически все соглашаются с тем, что Академгородку необходимо обрести субъектность. «О какой стратегии развития можно говорить и как ее формировать, пока нет четкого определения, что такое Академгородок, где он начинается и где заканчивается. Проще говоря – какую именно территорию или субъект мы хотим развивать», – неоднократно формулировала этот тезис одна президент ассоциации «СибАкадемСофт» Ирина Травина.

Очередной раунд обсуждения развернулся на «Чаепитии поколений» - общественном мероприятии, приуроченном ко Дню Академгородка. А тон ему задал директор Новосибирского областного инновационного фонда Александр Николаенко, выступивший с несколько неожиданной инициативой.

Для начала он напомнил, что в следующем году истекает срок полномочий действующего мэра Новосибирска и это, по его словам, открывает некое «окно возможностей» для внесения изменений в ситуацию, сложившуюся в Новосибирском научном центре.

«Сегодня мы видим, что идет стройка кампуса, СКИФа, второй очереди Академпарка. Это положительная сторона. Но одновременно заметно отстает инфраструктурная составляющая, дороги, благоустройство Академгородка и так далее. А вместе с этим вымывается и его главное достояние – человеческий капитал, потому что для людей очень важно качество жизни, комплексное развитие территории, где они живут. И при текущем уровне нам приходится думать не о том, как заманить сюда талантливую молодежь из других регионов, а о том, как удержать собственную», - охарактеризовал положение дел он.

Одна из главных причин, по его мнению, что нет единого центра управления именно Академгородком как территорией (где-то зона ответственности СО РАН, где-то областной власти или муниципалитета) и получается, как в известной поговорке про «семь нянек». Нет даже единого ответа на вопрос, что такое Академгородок. «Ладно, с верхней зоной и институтами понятно, с микрорайоном «Щ» - тоже. А вот Нижняя Ельцовка – это еще Академгородок или уже нет? А Шлюзы? Говорят, что «большой Академгородок» включает эти районы и вдобавок Кольцово. Но я не уверен, что наукоград захочет объединяться с нами. В отличие от Академгородка, в Кольцово устойчивые темпы развития, рост населения. И что делать в этой ситуации?», - задался вопросом Николаенко.

И сам же предложил на него ответ. Первым шагом может стать переименование Советского района в Академгородковский, что снимет вопрос о субъектности. Станет понятно, для какой территории нужно формировать свою стратегию развития. И в нее логично впишется левобережная часть района (т.н. ОбьГЭС), поскольку научному и инновационному комплексу нужна и своя промышленная площадка, где можно будет обкатывать масштабирование разработок в производственные технологии.

Второй шаг основан на положениях Федерального закона № 131 «Об общих принципах организации местного самоуправления в Российской Федерации». Закон позволяет организацию двухуровневых муниципальных образований, когда помимо общегородского совета депутатов есть еще отдельные, районные. Так устроено местное самоуправление в Челябинске и еще нескольких крупных городах России.

«В результате, мы сможем сформировать совет депутатов Академгородковского района, который будет курировать реализацию тех самых стратегий развития, заниматься развитием этой территории. А не как сейчас, когда Советский район является лидером в городе по налогам в бюджеты всех уровней, но внимание городских властей рассредоточено по всему Новосибирску и на нас, вероятно, в силу отдаленности и относительной малочисленности, его остается немного», - подчеркнул Александр Николаенко.

Впрочем, он сам признал, что это программа-максимум, а программой минимум стало бы переименование района и наделение его главы дополнительными полномочиями, например, статусом вице-мэра, что позволило бы ему привлечь больше ресурсов для развития. «А одновременно можно постараться убедить губернатора принять отдельный областной закон о развитии Академгородка и разработать соответствующую программу по его реализации», - подытожил докладчик.

При всем интересе, который вызвало предложение Николаенко, другие участники дискуссии сразу обратили внимание на ее слабые стороны. Прежде всего, она противоречит федеральном тренду, направленному наоборот на замещение двухуровневых муниципалитетов одноуровневыми. Ликвидация сельсоветов и сосредоточение местного самоуправления на районном уровне – наиболее яркое проявление этой политики. «И центр не даст городить огород с муниципальной реформой в Новосибирске только для того, чтобы через несколько лет все отыграть назад в рамках этого курса на централизацию», - отметила Ирина Травина.

По ее мнению, выход из ситуации может быть найден только через обретение Академгородком самостоятельного статуса. Но она согласилась с тем, что губернатор может выступить союзником в этом процессе и преодолеть сопротивление городских властей, для которых Академгородок остается «курицей, несущей золотые яйца». Также Ирина Травина напомнила, что «старый» Академгородок прижат к границе Новосибирска и не имеет возможности дальнейшего развития в рамках Советского района. Поэтому центром притяжения молодежи и одним из главных «локомотивов роста» вполне способен стать «Смарт-сити». А реализация этого масштабного проекта, в свою очередь, может стать для области еще одним аргументом в пользу разделения Новосибирска и Академгородка на разные муниципалитеты (с включением Смарт-сити в состав второго).

Еще один вариант решения проблемы статуса и развития Академгородка предложил Антон Колонин. Он напомнил, как несколько лет назад вместе с Александром Люлько и Юрием Зыбаревым готовил законопроект об академгородках. Тогда этот документ рассматривался еще и как механизм защиты научной системы страны от негативных последствий готовившейся реформы РАН. И как раз из-за противоречий с идеологией этой реформы и был отвергнут на уровне Правительства РФ. Он предложил вновь рассмотреть вариант с внесением в Федеральное Собрание схожего законопроекта.

«Сейчас ситуация другая. С одной стороны, реформа уже прошла, да и мы будем говорить не о всех академгородках, а конкретно о нашем, новосибирском. А главное – сменим акцент. Первый Академгородок стали строить как один из ответов на вызовы, стоявшие перед страной в то время, прежде всего в области безопасности. Сейчас ситуация схожая, перед нами снова стоят эти вызовы, объявлен курс на технологический суверенитет. А кто его может обеспечить? Нужны территории с особыми условиями, где будут создаваться основы этого суверенитета. И наш Академгородок – в числе первых кандидатов на эту роль», – заявил Колонин.

Прозвучал еще ряд предложений и дополнений. И хоть к единому мнению, касательно пути, по которому оптимально развивать Академгородок, участники «Чаепития» так и не пришли, можно отметить два важных момента.

Первый – это наличие сразу нескольких способов решения проблемы, на любом уровне – муниципальном, областном или федеральном. Второй – единый настрой со стороны всех участников и этого собрания, и ряда других, прошедших за последние годы на то, что в нынешнем состоянии Академгородок развиваться не может, нужны серьезные перемены, прежде всего в определении, что такое Академгородок. Если субъект, то ему требуются статус, границы и выработка оптимальных механизмов управления и развития. А если просто сленговое выражение, то ни о каком развитии мечтать не приходится. Даже если власть продекларирует еще какую-нибудь программу, «Академ-2030» или что-то в этом роде. Потому что любая программа неизбежно повиснет в воздухе и не сможет сработать на полную мощность.

Сергей Исаев.

Практически вся портативная электроника и бытовая техника сегодня работает на литий-ионных аккумуляторах. Такие электрохимические элементы быстро заряжаются, обладают высокой энергоемкостью и долго служат. Но литий – это дорогой и редкий металл, а его производство неэкологично. Альтернативный путь – создание натрий-ионных аккумуляторов. Специалисты Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН (ИНХ СО РАН) синтезируют функциональные материалы для создания аккумуляторов нового поколения и совместно с коллегами из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) изучают их свойства с помощью синхротронного излучения (СИ) в Центре коллективного пользования «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» (ЦКП СЦСТИ). Сейчас научная группа исследует характеристики гибридного материала из дисульфида молибдена и графена, который перспективен в качестве анодной части натрий-ионных аккумуляторов. Исследования показали, что синтезированный материал обладает хорошей стабильностью и достаточной энергоемкостью, то есть основные параметры качества батареек остаются на высоком уровне. Работа поддержана грантом РНФ № 23-73-00048.

«Натрий – довольно дешев, по сравнению с литием, и он более распространен, – рассказывает старший научный сотрудник лаборатории физикохимии наноматериалов ИНХ СО РАН кандидат физико-математических наук Анастасия Федоренко. – Поэтому во всем мире сегодня внимание переключено на создание материалов, которые бы хорошо работали в натрий-ионных аккумуляторах – отвечали за повышение стабильности их работы и хорошую энергетическую емкость. В нашей лаборатории мы разрабатываем наноструктурированные функциональные материалы с интересующими нас свойствами, в том числе для электрохимических применений. Данная работа поддержана грантом РНФ по мероприятию “Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня”».

Задача исследователей состоит в том, чтобы путем «точечных» замен или «удаления» атомов химических элементов в синтезируемом материале, задавать ему такие характеристики, которые позволят ионам натрия эффективно с ним взаимодействовать.

«Мы можем убрать атом серы или молибдена из материала, и у нас появятся пустые места, так называемые “вакансии”, – объясняет Анастасия Федоренко. – В них мы помещаем атомы других химических элементов, например, азота, никеля, селена или кобальта. Любые наши действия будут изменять реакционную активность и электропроводность материала, влияя таким образом на его функциональные характеристики. Путем таких модификаций и благодаря последующей проверке того, как в реальном времени ионы натрия взаимодействуют с нашим веществом, мы можем скорректировать условия синтеза материала и получить необходимые характеристики для будущего аккумулятора: емкость, стабильность, длительность работы, в том числе при высоких плотностях тока».

По словам Анастасии Федоренко, уже на данном этапе исследований ученым удалось показать, что синтезируемый материал обладает хорошей стабильностью в течение более 1200 циклов заряда и разряда аккумулятора и достаточной энергоемкостью (440 мАч/г при плотности тока 0.1 A/г). Теоретическая ёмкость аморфных углеродных материалов, обычно используемых в качестве анода натрий-ионных аккумуляторов, не превышает 300 мАч/г и такие материалы теряют порядка 20% своей емкости после 1000 циклов работы аккумулятора.

Характеризуют материал при помощи рентгеновской спектроскопии на экспериментальной станции «Космос» ЦКП СЦСТИ на базе ИЯФ СО РАН. Пользовательская станция расположена на единственном в России высоковакуумном канале мягкого рентгеновского диапазона. «Космос» использует синхротронное излучение из коллайдера ВЭПП-4 ИЯФ СО РАН, который генерирует мощный поток фотонов в широком спектральном диапазоне – от видимого излучения до жесткого рентгеновского. Экспериментаторы называют такой пучок «белым». Излучение из накопителя проходит по высоковакуумному транспортному каналу и попадает в монохроматор, который выделяет из «белого» пучка СИ фотоны с определенной энергией. Получившийся монохроматический пучок проходит сквозь исследуемый образец и регистрируется детектором.

«При взаимодействии с веществом рентгеновское излучение частично поглощается. Поглощение происходит в основном за счет фотоэффекта, то есть выбивания из атома электрона, – рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Антон Николенко. – Особенность рентгеновского излучения состоит в том, что фотоэффект происходит на “внутренних” электронах, то есть на тех, которые имеют сильную связь с ядром, и для их выбивания требуется сравнительно высокая энергия фотонов. По традиции энергетические уровни, на которых находятся электроны, называют буквами латинского алфавита: самый нижний (с максимальной энергией) это K-уровень, потом идут уровни L, M, N и так далее. Чем тяжелее атом химического элемента, тем больше энергия его K, и всех последующих уровней. Причем этот набор строго индивидуален для каждого химического элемента и может служить доказательством присутствия этого элемента в образце, на манер человеческих отпечатков пальцев. При плавном изменении энергии падающих на вещество фотонов, прохождение очередного энергетического уровня можно определить по скачкообразному росту поглощения. Эти скачки называются краями поглощения соответствующих элементов. Если исследовать форму этих скачков, можно судить не только о наличии данного элемента, но и о том, в каких химических связях он участвует».

По словам Антона Николенко, именно в мягкой рентгеновской области лежат K-края поглощения легких химических элементов, которые используются для создания новых функциональных и конструкционных материалов, таких, как алюминий, кремний, хлор, фосфор, сера. Также есть возможность изучать L-края ряда элементов, находящихся в таблице Менделеева рядом с молибденом.

«Есть, например, такое важное, с практической точки зрения, соединение – сульфид молибдена, – поясняет Антон Николенко. – Оно может быть использовано для создания более эффективных катализаторов, сенсоров, или, как в нашем случае, в качестве наполнителя для аккумуляторов нового типа, и много чего еще. На станции “Космос” мы имеем замечательную возможность одновременно исследовать в этом веществе и K-край поглощения серы, и L-край поглощения молибдена. С помощью СИ мы исследуем их атомную структуру этого вещества и получаем информацию, как именно взаимодействуют между собой атомы в исследуемом образце. Более того, возможности экспериментальной станции “Космос” позволяют одновременно проводить и флуоресцентный анализ в мягком рентгене, что дает еще более подробную картину внутренней структуры образца».

Совсем недавно на станцию «Космос» был интегрирован рентгеновский эмиссионный спектрометр, разработанный в ИНХ СО РАН. Этот уникальный по своим характеристикам прибор расширит возможности и повысит качество исследований ученых.

«Использование СИ в качестве источника рентгеновского излучения позволит применить современные методы диагностики наноматериалов и перейти к проведению in situ экспериментов. Суть которых заключается в исследовании процессов циклирования натрий-ионных аккумуляторов с высокой чувствительность, позволяющей зафиксировать даже небольшие изменения структуры вещества», – добавляет Анастасия Федоренко.

Пресс-служба ИЯФ СО РАН

В Новосибирском государственном университете продолжают реализовать свои проекты участники молодежного конкурса «Рентгеновские, синхротронные, нейтронные методы междисциплинарных исследований», который проводится уже второй год.  Отличившихся конкурсантов зачислили в лаборатории, задействованные в масштабном проекте «Структурные исследования и радиационные испытания перспективных материалов с использованием синхротронного излучения и нейтронов». Данный проект направлен на формирование сообщества специалистов из различных областей физики, химии, биологии, геологии, материаловедения, готовых с максимальной эффективностью воспользоваться возможностями, которые откроются перед ними с введением в эксплуатацию Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ).

Ликвидация синхротронной неграмотности

– Конкурс научно-исследовательских проектов «Рентгеновские, синхротронные, нейтронные методы междисциплинарных исследований» проводится в НГУ второй год. В прошлом году поддержку программы «Приоритет 2030» получили 27 проектов, в этом – 39. Часть проектов была продлена, а реализация нескольких прекращена в связи с тем, что их разработчики окончили свое обучение в НГУ. Однако все молодые исследователи, проекты которых получили поддержку, отмечают ее значимость. Благодаря программе «Приоритет 2030» им удалось реализовать свои научные идеи, получить доступ к необходимому для исследований оборудованию и материалам, а также возможность работать в различных лабораториях. В конкурсе участвовали представители нескольких факультетов – физического, факультета естественных наук, геолого-геофизического и факультета информационных технологий. Большинство проектов молодых ученых представляют собой междисциплинарные исследования, которые в будущем могут быть продолжены в СКИФе, – сказал председатель комиссии конкурса, заведующий кафедрой физических методов исследования твердого тела Физического факультета НГУ профессор Сергей Васильевич Цыбуля.

СКИФ должен быть максимально загружен, для этого необходимо создать сообщество его пользователей с готовыми разработками и образцами, которые предстоит подвергнуть рентгеновским, синхротронным, нейтронным методам исследований. На данном этапе, по мнению Сергея Васильевича, первоочередная задача – ликвидировать синхротронную безграмотность таким же образом, как ранее была ликвидирована компьютерная.

– Для российской науки центры синхротронных исследований были малодоступны, поэтому немногие ученые владели этими методами. Наша цель – расширить круг пользователей этого новейшего оборудования. Мы хотим, чтобы наши ребята осваивали передовые методы исследований, применяли их к решению своих конкретных задач, и стали тем ядром пользователей, которое должно сформироваться вокруг СКИФа в междисциплинарных исследованиях. Молодым исследователям предстоит решить несколько задач. Они могут уже сейчас участвовать в проектировании станции СКИФ и разработке элементов/единиц оборудования, которое будет на ней установлено, или готовиться к моменту ее открытия стать уверенными ее пользователями.  СКИФ – это уникальный инструмент, который применим для широкого круга исследований, в различных областях – химия, физика, материаловедение, минералогия. Объекты изучения различны, но методы сходные, - сказал Сергей Васильевич.

Кузница кадров для СКИФа

Часть молодых исследователей, проекты которых были поддержаны по итогам конкурса, уже трудоустроены в СКИФ в качестве научных сотрудников или проходят процесс трудоустройства, но немало вакансий остаются незакрытыми. Перед руководством СКИФа стоит задача – набрать штат из 400 сотрудников к концу 2024 года. В настоящее время занято только 100 рабочих мест. 

– Мы готовы принимать на работу молодых специалистов на должности инженеров и младших научных сотрудников с перспективами кадрового роста. НГУ – это кадровая кузница для СКИФа. Мы со своей стороны поддерживаем проведение этого конкурса, разделяем его цели и задачи. На текущем этапе очень важно создать для студентов и аспирантов стимул для саморазвития, чтобы они стремились узнавать новое, углублять свои навыки использования всего этого широкого инструментария, который будет им доступен с запуском СКИФа. Мы их ждем и в качестве пользователей установки синхротронного кольцевого источника фотонов, и в качестве сотрудников. Сейчас мы проходим критическую точку – чуть больше года остается до начала регулярной работы СКИФа, когда ученые смогут приезжать к нам со своими образцами для реализации своих научных планов. Нам нужны сотни, тысячи пользователей, у которых использование синхротронных методов вписано в программу проведения исследований и необходимо для получения итогового результата. Потенциальные пользователи могут представлять самые разные научные направления, в том числе социально значимые, которые в настоящее время определяют передовой край науки – химия, материаловедение, биомедицина, науки о жизни, археология, палеонтология, изучение объектов культурного наследия и многое другое, – пояснил один из членов комиссии конкурса, заместитель директора по научной работе ЦКП «СКИФ» д.ф.-м.н. Ян Витаутасович Зубавичус.

СКИФ может использоваться и как уникальный современный образовательный полигон, где студенты разных специальностей могут достаточно быстро превратить свою исследовательскую идею в конкретный результат, пользуясь самым передовым оборудованием, под руководством высокопрофессиональных наставников.

Дышащие кристаллы

Проект аспирантки первого курса Физического факультета НГУ Кристины Смирновой посвящен исследованию «дышащих» кристаллов – координационных соединений на основе меди и нитроксильных радикалов. Их особенность состоит в аномальной эластичности. В процессе циклов нагревания-охлаждения кристаллы этого вещества могут претерпевать изменения в объеме, достигающие 12 %.

– «Дышащие» кристаллы при нагревании и охлаждении расширяются и сжимаются подобно грудной клетке при дыхании, и при этом они не разрушаются. Кроме того, в процессе таких трансформаций они могут менять цвет, реагируя на изменения температуры или внешнего давления, а также облучение светом. В процессе такого внешнего воздействия в «дышащих» кристаллах происходят магнитные фазовые переходы. Благодаря этим свойствам, они могут использоваться для создания сенсоров на внешнее воздействие, например, для космической промышленности.

Научная работа, получившая поддержку программы «Приоритет 2030», включала в себя исследование подкласса «дышащих» кристаллов, которые претерпевают фазовые переходы в температурном диапазоне 170-350 кельвин (примерно от -100 до 70 градусов по Цельсию). Такие температуры возможны лишь в космосе. С использованием таких кристаллов можно создать температурный сенсор, а в перспективе – сенсор, ориентированный на изменение давления, – сказала исследовательница. 

Кристина Смирнова проводит свои исследования на базе Международного томографического центра СО РАН. Ею применяются методы магнетохимии, рентгенофазового и рентгеноструктурного анализов. С открытием СКИФа появится возможность исследовать вещества на станции рентгеновского магнитного кругового дихроизма, которая позволит определить магнитные свойства отдельных молекул, которые образуют кристалл. Добиться этого на другом оборудовании не представлялось возможным.

Уникальная методика

Аспирант первого курса Физического факультета НГУ Егор Айдаков изучает особенности фотоэлектронных спектров кобальта и его оксидов. Молодой человек отмечает, что данная работа носит фундаментальный характер и позволяет расширить базы данных.

– Моя работа была нацелена на то, чтобы методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии сделать некоторую модель разложения спектра кобальта и его оксидов. Кобальт имеет довольно сложную структуру спектра, наблюдаются различные дублеты, мультиплетные расщепления, помимо этого, на спектре наблюдается смещение положений линий, так называемые химсдвиги, которые соответствуют различным состояниям катионов кобальта. Кроме того, оксиды кобальта имеют различную электронную конфигурацию, что также оказывает влияние на вид спектра. Я выполнял свою исследовательскую работу на базе Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, уже многократно использовал полученные результаты при работе с реальными катализаторами и делился своим методом с коллегами. По данной теме я защитил магистерскую диссертацию, моя разработка уже используется и внедряется, – объясняет Егор Айдаков.

Молодой человек проводил эксперименты по рентгеновской дифракции на базе Института ядерной физики, что позволило зафиксировать конкретные условия синтеза реперных соединений. Он уверен, что разработанная им методика может использоваться в СКИФе.

Мост к экстремофилам

Анна Гайдамака участвовала в конкурсе как аспирант кафедры химии твердого тела факультета естественных наук. Сейчас она окончила обучение и является ассистентом той же кафедры. Ее работа связана с методом монокристальной рентгеновской дифракции в экстремальных условиях высоких давлений и низких температур. С его помощью Анна исследует кристаллы солей азотистых оснований.

– Данные объекты могут рассматриваться как биомиметические объекты, то есть имитирующие свойства биоматериалов или созданные на основе принципов, реализованных в живой природе. Производные многих азотистых оснований могут быть перспективными кандидатами для использования в качестве лекарственных соединений. Я исследовала ряд солей гуанина и аденина с точки зрения их устойчивости в широком диапазоне температур и давлений. Выяснилось, что при охлаждении эти кристаллы сохраняют свою кристаллическую структуру. Этот факт может стать неким мостом к изучению фундаментальных проблем, связанных с жизнью экстремофилов – организмов, способных выживать в очень суровых условиях. Азотистые основания - это структурные элементы ДНК и РНК, которые являются хранителями наследственной информации, поэтому их устойчивость при охлаждении и высоком давлении очень важна. При исследованиях кристаллов солей азотистых оснований мы наблюдали различные эффекты, но всегда отмечалась их высокая устойчивость и характерные фазовые превращения, связанные с адаптацией структуры, – рассказала Анна Гайдамака.

Для исследования таких сложных объектов потребовались современные лабораторные дифрактометры. Благодаря поддержке проекта программой «Приоритет 2030» Анна Гайдамака получила возможность часть экспериментов выполнить в ЦКП ФНИЦ «Кристаллография и фотоника РАН» (г. Москва), располагающем необходимым оборудованием. Кристаллы азотистых оснований, как правило, имеют малый размер и являются слабо рассеивающими рентгеновское излучение объектами, поэтому их исследование на лабораторных источниках не всегда возможно. Использование синхротронного излучения позволит расширить круг объектов, а также сократить время проведения эксперимента, что может быть особенно важно при исследовании быстропротекающих превращений. Поэтому исследовательница намерена продолжить эксперименты в СКИФе.

Пьезоэлектрики под давлением

Работа аспиранта первого курса Физического факультета Марка Хайновского, выпускника совместной магистерской программы МОФХИКФ кафедр ХТТ ФЕН и ФМИТТ ФФ НГУ , посвящена исследованию кристаллов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, находящихся в экстремальных условиях, а именно – при высоком давлении.

– Моя работа нацелена на то, чтобы связать результаты высоко прецизионных дифракционных экспериментов на синхротронном источнике в Гренобле с выводами из теоретических расчетов методами квантовой кристаллографии. Кроме того, это важно для будущих экспериментов, которые можно проводить на СКИФе, потому как позволяет теории и эксперименту  взаимно дополнять друг друга. Суть моей работы заключается в том, чтобы выяснить, как электронная структура кристаллов, смоделированная при помощи современных программных пакетов, коррелирует с экспериментальными дифракционными данными, а также, каким образом изменение кристаллической структуры и электронного строения связаны с пьезоэлектрическими свойствами материалов, находящихся в условиях высокого давления, – пояснил Марк Хайновский.  

Применить полученные данные можно прежде всего при дизайне различных сенсоров и датчиков. И поскольку изучению подвергаются не простые пьезоэлектрики, а органические, это также может натолкнуть исследователей на применение таких сенсоров в медицине. Проект Марка Хайновского получает поддержку программы «Приоритет 2030» на протяжении почти двух лет. Молодой исследователь считает такой способ поддержки молодых ученых очень важным для фундаментальных исследований.

Первые итоги

В июне молодые исследователи сдали отчеты с результатами своих работ, рассмотрев которые конкурсная комиссия приняла решение о продлении поддержки исследований на второе полугодие 2023 года. Окончательные итоги подведут в декабре, а потом с большой долей вероятности будет объявлен новый конкурс. 

– Благодаря программе «Приоритет 2030» студенты и аспиранты получили возможность реализовать свои научные интересы и проявить себя в качестве серьезных исследователей. А главное, обрели очень хорошие перспективы относительно своей дальнейшей научной карьеры. По итогам конкурса в течение первой половины этого года уже опубликованы тезисы по материалам их исследовательских работ – 34 в сборниках различных всероссийских конференций и более 10 – в сборниках зарубежных конференций. Также опубликовано или подано в печать 10 статей в отечественных и зарубежных научных журналах. Нашими участниками проектов защищено 14 бакалаврских и магистерских, а также аспирантских научно-квалификационных работ. По результатам конференций и конкурсов молодые исследователи получили свыше 10 различных наград. Следует подчеркнуть, что многие из этих показателей либо совпали, либо даже превзошли результаты, полученные за весь прошлый год, – отметил заведующий учебно-научной лабораторией рентгеновских и синхротронных методов исследования физического факультета НГУ, секретарь конкурсной комиссии Василий Никулин.