— Для наглядного представления о том, какую силу мы пытаемся приручить, поставим небольшой опыт, — предложил заведующий лабораторией ультразвуковой техники и технологий Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники кандидат технических наук Николай Дежкунов.
Ученый оторвал от рулона алюминиевой фольги небольшой кусочек, погрузил его в специальный сосуд, наполненный водой, и щелкнул тумблером. Послышалось легкое гудение, на фольге моментально появились крохотные воздушные пузырьки, и, чтобы они не подняли ее к поверхности, пришлось даже придержать объект нашего интереса пинцетом. Буквально на глазах в алюминии возникли и начали быстро расти сквозные дыры, и если бы через 15 секунд установку не выключили, то изрешеченный металлический лоскуток точно бы развалился на части. Его разрушил ультразвук…
Сразу же подумалось об известной процедуре УЗИ. А не разрушаются ли точно так же клетки организма при обследовании внутренних органов с помощью этих сокрушительных волн? Как оказалось, нет, не разрушаются, поскольку при акустическом сканировании используются другие, более щадящие для всего живого частоты. Однако мощный высокочастотный ультразвук, близкий по характеристикам к тому, что в нашем опыте расправился с фольгой, тоже, как выяснилось, используется в медицине, и области его применения будут расширяться.
— Могу успокоить, — пояснил Николай Дежкунов, — звукочувствительные лекарства, которые разрабатываются с нашим участием учеными Московского государственного университета, не должны травмировать ткани организма, так как меру ультразвукового воздействия мы точно знаем. Для этого нами и создаются специальные приборы — кавитометры. На основании спектрального анализа кавитационного шума они измеряют суммарную силу ударных волн, вызванных кавитацией, которая в свою очередь была порождена ультразвуком. При этом явлении в жидкости или гелеобразной среде (а наше тело и есть такая среда) из-за перепада давления возникают и тут же со сверхзвуковой скоростью захлопываются миллионы крохотных пузырьков воздуха. Они генерируют микроскопические, но очень мощные микроструи жидкости и ударные волны, которые и вызывают разрушение материалов, находящихся в контакте с пузырьками.
Но что такое звукочувствительные лекарства и что они должны лечить? По замыслу, эти сильнодействующие препараты нового поколения должны представлять собой герметичные наноразмерные капсулы с химически нейтральной оболочкой вокруг собственно лекарственного вещества. Предназначены они для локального воздействия. Введенные в кровеносные сосуды, такие препараты могут долго циркулировать по телу, не проникая через мембраны клеток и не оказывая влияния на организм, пока их в нужное время и в нужном месте дистанционно не «откроют» с помощью ультразвука. При этом находящиеся в крови наноконтейнеры одновременно служат и затравкой для возникновения кавитационных пузырьков, и средством доставки. Под действием ультразвука, сфокусированного, скажем, на воспалившееся колено, оболочки наночастиц в этом месте одновременно разрушаются, и препарат попадает точно по адресу, не причиняя вреда печени, почкам и другим органам.
Партнеры белорусских ученых — специалисты МГУ сегодня уже испытывают в московской клинике звукочувствительный препарат против раковых опухолей, который должен буквально расстреливать больные клетки. При этом они активно используют белорусский кавитометр. Ведь только точная информация о параметрах кавитации, поступающая в реальном масштабе времени, позволяет филигранно управлять процессом разрушения капсул, не повреждая при этом здоровые ткани организма.
Высокая точность измерений активности кавитации — залог успеха не только в медицине, но и во многих областях научных исследований в технике. Институт тепло- и массообмена Национальной академии наук Беларуси, например, с успехом использует отечественные кавитометры для контроля процесса создания эмульсионных топлив и технологий их получения, а также при обработке наноматериалов. На Минском тракторном заводе прибор применяют для тестирования эффективности ультразвуковой очистки, а в ООО «ЛАРК КАМ» он успешно испытан в новом технологическом процессе — кавитационной стерилизации молока, также разработанном в ИТМО.
На многих предприятиях под контролем созданного в БГУИР прибора ведется ультразвуковая очистка, смешиваются компоненты, которые невозможно объединить в обычных условиях, исследуется воздействие ультразвука на биологические объекты. Среди заказчиков не только отечественные, но и зарубежные предприятия и научные центры — в России, Нидерландах, Италии.
Кстати, с итальянцами — учеными Триестского университета — лаборатория ультразвуковой техники и технологий БГУИР активно сотрудничает в изучении загадочных оптических и температурных эффектов, возникающих в жидкостях при ультразвуковом воздействии на определенных частотах и при высоком давлении.
Речь идет, в частности, о звуколюминесценции — свечении, возникающем при захлопывании кавитационных микропузырьков. Как оказалось, свечение имеет тепловую природу и вызвано разогревом парогазовой смеси внутри пузырьков до температур в несколько десятков тысяч градусов — выше температуры на поверхности Солнца! Теоретически возможно достижение и более высоких температур — до миллиона градусов и давлений до нескольких тысяч атмосфер. Это открывает новые возможности для воздействия ультразвуком на вещество и для реализации новых экзотических реакций, вплоть до реакции ядерного синтеза.
Плодом исследований, выполненных белорусскими учеными совместно с Триестским университетом, стали методы управления активностью кавитации, обеспечивающие существенное повышение температур и давлений, достигаемых при захлопывании кавитационных пузырьков. Получены также результаты фундаментального характера, в частности, сформулирована теорема о максимуме активности кавитации. Эксперименты подтвердили, что даже при небольшом увеличении давления температура, достигаемая при захлопывании пузырьков, повышается в 10 — 15 раз, и, если в новое направление вкладывать средства, эффект можно будет использовать на практике.
Впрочем, достижение сверхвысоких температур в пузырьках — задача все же не сегодняшнего дня. Поэтому исследователи сконцентрировались на более приземленных целях. Вот, например, проблема: экспорт в Европу приборов для измерения кавитационной активности сдерживает то, что на континенте нет наших специализированных сервисных центров. И хотя кавитометров, равных по характеристикам белорусским, в мире нет, покупать их пока спешат немногие. Ведь не отправлять же дорогое приобретение для настройки или устранения неисправностей всякий раз в Минск? Поэтому большие надежды ученые возлагают на переговоры, которые ведутся сейчас с одной из французских фирм, обслуживающих электронную технику. Договорятся на взаимовыгодных условиях — новое направление экспорта будет открыто.
