Главный ученый секретарь НАН Беларуси Сергей Чижик подсказал корреспонденту «БН», откуда берутся листья на деревьях, туннельные микроскопы, сахарный диабет и биологические клетки в наших конечностях...
С СЕРГЕЕМ Антоновичем мы встречались несколько раз. Впервые — в Гомеле. Тогда гремела слава об атомно-силовом микроскопе, изготовленном в Институте механики и металлополимерных систем. Руку к его созданию приложил именно молодой ученый Сергей ЧИЖИК, который после окончания вуза добровольно уехал в город над Сожем и задержался там аж на 22 года. И считает сейчас это время самым благодатным и удачным. Потом мы встречались с ним уже в Минске, в Институте тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова. Сергей Антонович к тому времени стал уже доктором технических наук, профессором. И занимался перспективным направлением в науке — нанотехнологиями. А вот теперь он — главный ученый секретарь Национальной академии наук Беларуси. Когда мы с ним встретились, Сергей Антонович предложил: «Ни слова о моей административной работе! Это долгий разговор и не всем интересный. А лучше шагнем мы с вами... в наномир».
«Глыба» в капле дождя
— Я глубоко верю в силу нано, — сказал при этом Сергей Антонович. — А верю потому, что сама природа построена на этом принципе. Студентам на первом занятии задаю вопрос: «Как вы считаете, откуда берутся листья?» Вроде вопрос простой. Но мало кто отвечает правильно. Почему, как по мановению волшебной палочки, на дубе вырастают дубовые листья, на березе — березовые? Почему появляется огромная зеленая масса, именуемая кроной? Без шума, дыма, грохота станков, работы тракторов? А все потому, что природа действует по принципу нано: «сборка» атомов и молекул идет по определенной программе, которая записана в структуре ДНК. В это время работают миллиарды наномашин.
И если мы будем изучать, как устроены эти технологии, если сможем создавать такого типа машины, то действительно выйдем на «уровень» природы. Хотя, быть может, мы переступаем барьер божественный...
Вы идете по улице. Потянулись тучи, налетел ветер. Ударила в лицо первая капля дождя. Именно ударила, ибо это не маленький комочек жидкости, а «глыба», в составе которой единица с 21 нулем: столько атомов в одной капле дождя. Не сомневайтесь, подсчитано!
Первым об атомах заговорил греческий философ Демокрит. Было это более двух тысяч лет назад. И благодарные потомки увековечили его профиль на монете достоинством в 10 драхм. Драхмы ныне подзабыты, а вот атомы «пришли» к нам во всем своем величии. Впервые атомарной структурой кремния любовались Г. Бинниг и Х. Рорер в своей цюрихской лаборатории IBM. Случилось это в 1981 году. Открытие было столь значимо, что ученые без промедления стали Нобелевскими лауреатами. А простой, как и все гениальное, метод швейцарцев взят за основу при создании первых туннельных микроскопов.
И перст судьбы, и воли случай
Сергей Чижик вспоминает, что впервые взглянул на загадочный мир с помощью туннельного микроскопа, когда был на стажировке в Москве. Работая над кандидатской диссертацией, он задумался над проблемами молекулярной шероховатости. Разгадав это, можно было создавать высокоточные пары трения, моделировать их. А это — прорыв в области трибологии, новое слово в машиностроении. Но одно дело теория, другое — эксперимент. Для него требовались приборы, а их не было.
И вот на глаза Сергея Антоновича попадается статья члена-корреспондента Академии наук СССР Михаила Хайкина о сканирующей туннельной микроскопии. Прочитав ее, молодой ученый сразу же написал автору письмо. Завязалась переписка. Итогом стала поездка в Москву в Институт физических проблем АН СССР, в лабораторию, которую создавал легендарный академик Нобелевский лауреат Петр Капица.
Месяц стажировки пролетел как один день. Многое узнал, увидел молодой ученый и, главное, загорелся новыми идеями. Вернувшись в институт, выступил на заседании ученого совета и все описал так заманчиво, что руководство института сразу же дало добро на приобретение туннельного микроскопа, несмотря на дороговизну. Новинка могла помочь в решении многих задач.
Так и получилось. Но прибор, поработав некоторое время, забарахлил, сломался. Обескураженные «механики» не знали, что делать. Ремонтировать, оказалось, сложно. Купить новый — нереально. А без микроскопа — как без рук. И тогда решили сделать его сами. Идея, конечно, была авантюрной. Ни опыта, ни чертежей, все визуально, на грани интуиции. Причем без оплаты.
— У нас был молодой задор, порыв, желание доказать, что и белорусы не лыком шиты. Что и получилось, — вспоминает Сергей Антонович.
Через несколько месяцев микроскоп был готов. Первый блин не оказался комом. По сути, создали свой, оригинальный атомно-силовой микроскоп. Он позволял дать не просто объемную картинку поверхности исследуемого образца, но и определить его локальные свойства, температуру, твердость, и даже «услышать» то, что происходит на поверхности.
— Наши микроскопы — это шаг в тончайший мир, — говорит Сергей Антонович. — Они позволяют увидеть нанообъекты, пощупать их, погладить. Если надо, то и переставить атомы местами. Есть возможность на тончайшем уровне контролировать поверхность любого изделия, точность его изготовления, отклонения, причем с высоким разрешением. И это единственный микроскоп, который дает трехмерное изображение. Открываются громадные возможности!
Кстати, наладив в свое время их мелкосерийное производство, мы сразу вышли на мировой рынок. Наши приборы приобретали Южная Корея, Италия, Индия, Польша, Словения, Литва. Говорят, что наша страна добилась прогресса в новом для себя направлении. И область их применения — обширная. В первую очередь — точная механика, микроэлектроника, биология клеток.
«Нос» из наномира
— Если говорить о наших делах, то сделаны интересные шаги, — отмечает Сергей Антонович. — И в первую очередь в материаловедении. Есть интересные подвижки и в электронике. Это одна из отраслей, которая смогла воспользоваться преимуществами нанотехнологий, ступив на субмикронную стезю. Мы вместе со специалистами «Планара» создали новый промышленный комплекс для серийного контроля, для установки его на технологических линиях. Именно на производстве, которое совмещает предельные возможности оптики и зондовой микроскопии. Сейчас этот прибор проходит испытания на «Интеграле».
— Мы работаем сейчас тесно с Институтом химии новых материалов. Интересно было бы создать искусственный «нос» — прибор по улавливанию малых молекулярных примесей запахов. «Нос» представляет собой лепесточек микронного размера, действующий на основе колебаний, резонанса. На него нанесен тонкий слой вещества. И если есть в атмосфере газ, который отсорбируется на лепесток, то резонанс колебаний этого лепестка изменится. И мы можем четко сказать, что такой газ есть и какой он концентрации. А если у нас не один, а набор лепестков, и каждый из них настроен на свой газ, то мы сможем контролировать многие вещества. Биология для нас очень притягательная область. Сейчас мы объединяем ее с наномеханикой. И начали развивать область цитомеханики. Цито — это клетка. Будет она правильно настроена — будет здоровье.
Увидеть, а главное, пощупать клетку сложно. И здесь наш метод эффективен. Мы можем ее рассмотреть, понаблюдать, как она реагирует на разные наши манипуляции. И очень интересна реакция живого на неживое. Сейчас это перспективное направление. Скажем, вживляют чипы. Скоро, возможно, начтут использовать микросхемы для человеческой памяти.
Эластичность ведет к онкологии
Недавно аспирантка Елизавета Дрозд защитила диссертацию по биомеханике. С помощью приборов, атомно-силовых микроскопов, она смогла оценить эластичность единичной клетки, ее потрогать. И сказать, насколько она мягкая или жесткая, создав специальные методики для этой работы. Был проведен анализ на целой серии клеток. Показано, что онкологические заболевания сопровождаются повышением эластичности клетки. Она становится более податливой. И за этим, скорее всего, кроется опасность метастазов для онкологических больных. Другое заболевание — сахарный диабет. Показано, что при нем жесткость клетки увеличена. В результате проникновение в капилляры затрудняется, что может в крайних случаях приводить к ампутации конечностей у больных.
Еще Елизавета с коллегами решили посмотреть, как воздействует холод на клетки крови человека. Оказывается, они становятся мягче, а значит, кровь проникает в капилляры, обеспечивая более высокое снабжение кислородом.
— Данное направление считаю перспективным, следует и дальше проводить поиск, — комментирует Сергей Чижик. — Сейчас мы делаем новый тип прибора, который способен осуществлять анализ клетки совместно с методом оптической и атомно-силовой микроскопии. В нем действует биореактор, который совмещен с оптикой, где клетки могут жить, размножаться, двигаться. Мы работаем в этом направлении вместе с Институтом генетики и цитологии. Этот прибор будет очень эффективным для прослеживания воздействия лекарств.
Мы готовы дополнить биоинженерию возможностями наших приборов.
И еще одна интересная работа. Сейчас многие наши граждане жалуются на боли в ногах, их мучат остеопорозы. Операции сложные, дорогостоящие. А есть ли другой путь? Есть. На матрице из нанотрубок, оказывается, отлично растут биологические клетки. На Западе, например, пациентам уже вживляют коленные хрящи, выращенные из их же собственных клеток. Мы тоже проводим исследования. Выявили любопытные особенности. Так, при стирании верхнего слоя хряща ткань в некоторой степени неожиданно самовосстанавливалась. Есть что разгадывать и чему учиться у природы!
Хрящ позволяет обеспечить почти нулевое трение. Он имеет сложную структуру. Но человек научился выращивать хрящи, инициируя биосинтез, подкармливая, поглаживая клетки. Вживлять потом выращенный хрящ в поврежденные области не трудно.
Мы опубликовали свои оригинальные работы по хрящам в западных журналах. Есть на них запросы. Еще мы ведем работы в области мембран. Ультратонкие мембраны — это тоже нанообъекты, и мы пытаемся придать им новые свойства с помощью молекулярных пленок, которые производит Институт химии новых материалов. А мембраны применяются везде: водоочистка, фильтры, мясо-молочная промышленность.
И явь, и фантастика
Сергей Чижик мечтает, чтобы в Беларуси нашелся свой Станислав Лем и написал захватывающую книгу о возможностях нанотехнологий. А они безграничны. Строить из атомов можно все. А еще — безошибочно контролировать здоровье человека, сделав его практически бессмертным! Даже секреты Вселенной откроются людям и принесут благодатные плоды...
Евгений КАЗЮКИН, «БН»
