Материалы с заданными свойствами, топливо будущего и мгновенная обработка огромного количества информации. Уникальное зарядное устройство, которое позволит полностью отказаться от розеток и проводов — ведь для него будет вполне достаточно даже рассеянного света нашей средней полосы! А еще удивительный повязочный материал — он не только быстро заживляет повреждения, но и препятствует образованию рубцов и шрамов.
Квантовые компьютеры, медицина завтрашнего дня и новое поколение солнечных батарей. В проекте «Путь в науку» — молодые ученые МГТУ имени Баумана и НИТУ «МИСиС».
«Квантовые компьютеры»
Илья Родионов,
директор НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы МГТУ им. Н. Э. Баумана
и ФГУП «ВНИИА им. Н. Л. Духова» ГК «Росатом»
Илья Анатольевич, когда вы определились со своим профессиональным будущим и поняли, что больше всего на свете вас интересуют наука и исследовательская деятельность?
Как ни странно, но я точно помню этот момент — я учился на третьем курсе! Все произошло на лекции по технологии печатных плат — помню, что читал эту лекцию Владимир Николаевич Гриднев, доцент кафедры «Проектирование и технология производства электронной аппаратуры». Технология печатных плат — это то, что окружает нас, то, что есть в каждом приборе. Вот тогда я и решил для себя, что технология — это мое, и начал искать пути: еще студентом устроился на работу, чтобы развиваться именно в этой области.
Вы — выпускник знаменитой «Бауманки». Что посоветуете старшеклассникам — тем мальчишкам и девчонкам, которые, может быть, именно сейчас задумываются о будущей профессии и о том, чтобы связать свою жизнь с наукой и исследованиями?
Ребятам прежде всего нужно самим выбирать. К сожалению, по моему опыту и по тому, что мы часто видим вокруг, обычно выбирают родители. И еще: ребятам нужно научиться не доверять тому, что они видят на красивых картинках, и не брать информацию исключительно с различных сайтов. Настоятельно рекомендую навестить те вузы, которые они для себя ориентировочно выбрали, и сравнить вживую. Возможно, это решение полностью определит их жизнь в будущем!
В столице уже несколько лет успешно функционируют такие предпрофессиональные проекты, как академический, инженерный, медицинский классы, ИТ-класс. Насколько изменился уровень тех абитуриентов, которые поступают сегодня в МГТУ имени Баумана?
Те ребята, которые поступают к нам, безусловно, очень хорошо подготовлены! Можно с уверенностью сказать, что общий уровень поступивших к нам вчерашних старшеклассников заметно вырос. Конечно, мы их и сами дополнительно готовим! У нас тоже есть собственный проект — «Инжинириум». Прошлым летом около 500 ребят прошли у нас практику, у них была возможность увидеть все своими глазами и поработать в наших лабораториях. Когда у человека есть вектор развития, направление, он уже точно знает, что он хочет. Он не просто физику с математикой изучает — он изучает эти дисциплины прикладным образом! Это всегда огромный плюс, поэтому все проекты очень помогают ребятам, дают возможность реализовать себя.
Научно-образовательный центр Функциональные Микро/Наносистемы на базе МГТУ имени Баумана и института имени Духова — центральная площадка научных и инженерных разработок мирового уровня. В нескольких словах расскажите, пожалуйста, что здесь сегодня происходит?
В нескольких словах — очень сложно рассказать. (смеется) Могу ответить так: это элементная база на новых физических принципах. Посмотрите вокруг — нас снимает камера, в карманах у всех телефоны. Это результат революции микроэлектроники и лазерной техники. В 60–70-х годах мы с вами получили эту элементную базу и на ее основе начали строить все то, что позволяет нам обрабатывать и передавать информацию. В нашем научно-образовательном центре сегодня мы занимаемся созданием новой платформы для вычислений, передачи и обработки информации, которую мы получаем извне: от индустрии 4.0 и до интернета вещей. Скорее всего, через 5–10 лет она станет тем будущим, которое в корне изменит и нашу жизнь, и наши представления о том, что происходит вокруг.
Что такое квантовое устройство, квантовый компьютер? Как грамотно рассказать об этом и не только доступно объяснить, но и заинтересовать школьника или любого неспециалиста?
Как я уже сказал, мы занимаемся вычислениями, обработкой и передачей данных. Если речь идет о новых типах вычислений, то это в первую очередь нейроморфные процессоры, то есть попытки смоделировать человеческий мозг. Это сверхпроводниковые, сверхбыстрые, классические вычисления, в том числе квантовые вычислители и симуляторы. Последними мы тоже занимаемся очень активно и сегодня производим процессоры на двух разных элементных базах. Квантовый компьютер — это такая штука, которая позволит перевести возможности современных вычислений на совершенно новый уровень. То, что сегодня недоступно современным суперкомпьютерам, на квантовом можно будет сделать очень и очень быстро — буквально за секунды. Почему? Да потому, что в основе лежит физика квантовых явлений, то есть возможность распараллеливания вычислений. Сегодня, когда мы говорим о квантовых компьютерах, мы должны понимать, что это не совсем отдельный прибор, не что-то совсем революционное с точки зрения применяемых технологий. Это сопроцессор, который позволит радикально ускорить определенные типы вычислительных операций — например, обработку больших массивов данных, вычисления в квантовой химии, работы по криптографии. Причем ускорить таким образом, что станет реально осуществить то, что сегодня невозможно в принципе!
Правильно ли я понимаю, что это будет своеобразный «суперапгрейд», доводка того, что уже есть сегодня?
Давайте так: это некая дополнительная приставка, которая дает сверхвозможности и делает компьютер «суперменом»!
Верно ли, что квантовый компьютер предполагает принципиально другой способ передачи и хранения данных?
Скорее, он подразумевает новые алгоритмы обработки информации, принципиально иное программное обеспечение и принципиально новую физическую элементную базу. Поэтому мы говорим, что это действительно некий революционный шаг. Это не простая эволюция в современной микроэлектронике, это шаг на совершенно другой уровень.
Как успешный запуск квантового компьютера повлияет на разработку новых лекарств, новых материалов и новых источников энергии? Другими словами — как это повлияет на наше будущее?
Когда мы говорим, что «обычному» суперкомпьютеру «не по зубам» обработка некоторых данных и алгоритмов, это означает, что сегодня мы не можем на микроуровне, на атомарном уровне рассчитать какую-то сложную молекулу или посчитать какой-то материал. Квантовый компьютер даст такие возможности, и мы с вами будем, например, создавать материалы с заданными свойствами! Объясню, о чем идет речь. Я всегда задаю вопрос студентам: «Почему мы не летаем так, как птицы?» (смеется) Или почему до сих пор нет летающих машин? Да потому, что у нас нет соответствующих топливных элементов, которые позволили бы хранить на борту такое количество энергии! Вот квантовая машина, например, позволит создавать подобные элементы. Сейчас приходится все делать экспериментально, перебирать варианты на основании действий человеческого мозга. Не забывайте, что наш мозг — пока что самое сильное вычислительное устройство! Так вот, квантовый компьютер позволит это делать за минуты. Альтернативная энергетика и новые материалы, криптографическая защита и ее новые алгоритмы, взлом тех кодов, которые есть сегодня, — эта машина позволяет обрабатывать колоссальные объемы данных. Потом эти результаты лягут в основу сложных логистических решений. То, что мы сегодня видим в интернете, — это глобальное количество информации, которое практически нельзя обработать за разумное время. Квантовый компьютер как раз даст нам возможность быстро классифицировать информацию и находить на основании этого какие-то уникальные, прорывные решения. На самом деле, это путь к тому самому искусственному интеллекту, который очень многие хотят заполучить и которого очень многие боятся.
То, о чем вы говорите, — это колоссальнейшие перспективы и, конечно, огромная ответственность!
Абсолютно согласен! Ведь здесь моменты как технические, так и социогуманитарные, о которых нужно постоянно думать. И, обращаясь к старшеклассникам, хочу сказать, что наш центр на сегодняшний день обладает такими технологиями, которых больше в России нет нигде. Мы уже делаем квантовые процессоры и надеемся, что они выведут нашу страну на принципиально другой уровень развития. Я призываю наших молодых ребят заниматься этой тематикой — она сложная, интересная, междисциплинарная; потребуются знания из различных научных областей. Чтобы создать квантовый компьютер, нужно уметь и электронику разрабатывать, и в физике серьезно разбираться, и знать СВЧ-технику (техника сверхвысоких частот — прим. ред.). То есть это лежит на пересечении большого количества научных направлений, и для того, чтобы создать нечто новое, все их придется объединить.
Как раз об этом я и хотела бы поговорить. Наука сегодня «не работает» в одиночку. Развитие идет в буквальном смысле слова на стыке медицины, биологии, химии, в том числе квантовой химии, физики, инженерных наук. Можно ли ваши исследования назвать конвергентными?
Конечно! Вот я приведу всего один пример, чтобы ответить на этот вопрос! У нас есть направление разработки лабораторий на чипе (lab-on-a-chip) для персональных медицинских средств. Представьте, что люди носят с собой в кармане устройство, напоминающее, скажем, телефон, чтобы отслеживать состояние собственного здоровья. Для создания такого устройства нужно использовать квантовые технологии, чтобы разработать сенсорику. Нужны фотонные технологии для того, чтобы разработать устройство для обработки информации. Нужна классическая электроника, чтобы всем этим управлять! Нужны биотехнологии, чтобы понять, как эти анализы сделать. Необходимы биохимические технологии, чтобы обеспечить релевантное выполнение химических реакций внутри микрофлюидных чипов (микрофлюидный чип — это устройство со множеством микроканалов, соединенных между собой таким образом, чтобы обеспечить выполнение задач медицинской диагностики; такие чипы обеспечивают сверхточные результаты анализов за несколько минут). Даже просто при перечислении этих направлений становится понятно: не только одна научная область не сможет справиться, но зачастую и для одной организации это невозможно. Поэтому мы взаимодействуем с большим количеством партнеров из совершенно разных областей научного знания, и действительно —без этого сегодня современная наука не работает.
А можем ли мы сегодня говорить о том, что результаты ваших исследований попадут в серийное производство?
Вы знаете, это уже серийное производство. Мы сегодня делаем серии определенных продуктов, и я счастлив говорить о том, что некоторые из них пошли в промышленность. Мы рассчитываем, что через 3–5 лет они появятся уже и в массовом производстве. И самое главное — разработка и первая серия тестовых линеек будут сделаны здесь, в нашем НОЦ. Я говорю о биохимическом направлении — это как раз те медицинские комплексы, которые позволят существенно улучшить жизнь любого человека. Это касается и квантовых компьютеров: до 2024 года у нас уже запланирован выпуск машин с определенными параметрами. Но задачи нашего центра сегодня не ограничиваются 2024-м. У нас обширные планы и программы исследовательских работ до 2030 года, и мы совершенно точно понимаем, что́ именно на каждом этапе будет создано в виде готовых продуктов. Это не только научные высокорейтинговые статьи, но и конкретные разработки в таких областях, как вычисления, медицинские системы, передача и обработка информации.
«Повязочные материалы для терапии ран и ожогов»
Елизавета Пермякова,
научный сотрудник лаборатории
неорганических наноматериалов НИТУ «МИСиС»
Елизавета, вы занимаетесь разработкой особых повязочных материалов для терапии ран и ожогов. Ваше исследование — на стыке медицины, биологии, фармацевтики и инженерных наук. Кто вы — биолог, химик, инженер? Вам никогда не хотелось стать врачом?
Эта профессия очень близка моей семье: мои мама и бабушка — врачи. Все были абсолютно уверены, что и я тоже стану медиком. (смеется) Но так получилось, что для меня гораздо интереснее разрабатывать что-то новое, чем применять уже известные и опробованные технологии. Вы совершенно правы: наша разработка сочетает в себе такие научные области, как физика, химия, инженерные науки, биология, медицина. Все это вместе и дает возможность создавать новый материал, который в перспективе будет широко использоваться и, надеюсь, поможет многим людям!
Пожалуйста, расскажите о вашем изобретении подробнее. Я читала, что отличительные особенности этой разработки — биосовместимость, биоразлагаемость и антибактериальные свойства и в этой области у ваших «живых бинтов» нет ни аналогов, ни конкурентов.
Есть такая проблема — разработка материалов для терапии ран и ожогов. Всем известно, что при заживлении повреждений образуется рубцовая ткань. Но поскольку наши повязки созданы на основе нановолокон, они позволяют клеткам кожи «укладываться» таким образом, что шрамов практически не остается. Это один из существенных плюсов нашей разработки!
Потрясающе! Это и есть эффект регенерации?
Абсолютно точно! Он достигается за счет того, что мы берем кровь, центрифугируем ее и она разделяется на три фракции. Нижняя фракция — это клетки крови: эритроциты, лейкоциты. Средняя фракция — различные белки и соединения, которые ускоряют рост и деление клеток. Это так называемая плазма крови, которой мы модифицируем наши нановолокна. Такие материалы будут более благоприятны для клеток: процесс их деления в этом случае происходит максимально быстро и эффективно!
Кроме того, мы используем различные факторы роста, что ускоряет развитие и деление клеток. Это значит, что заживление в перспективе будет проходить быстрее и занимать не месяц, а, например, неделю. Наши волокна, как вы правильно отметили, сделаны из биосовместимого материала, а это значит, что их не нужно будет менять. Всем известно, что при смене повязок часто возникают механические повреждения. Используя нашу разработку, достаточно просто докладывать повязочный материал по мере необходимости. Наверное, не совсем корректно говорить, что мы самые первые и самые инновационные. Мир большой, и многие ученые заняты именно этими разработками — не мы одни до такого додумались. (смеется) Но совершенно точно, что результаты нашей лаборатории идут на опережение. Кроме того, мы сейчас ведем совместные исследования с клиникой экспериментальной лимфологии в Новосибирске, где проводят испытания нашего материала.
Скажите, а какую форму будут иметь эти повязочные материалы? Как они будут выглядеть? Думаю, это многим интересно!
Это будет тонкий материал — само нановолокно и подложка, которую после нанесения можно будет просто убрать. Поскольку слой нановолокон очень тонкий, без подложки он будет сворачиваться или механически повреждаться — у нее чисто защитная функция. Сейчас мы можем получать эти нановолокна исключительно размером с лист А4. Поэтому нам нужны определенные установки для того, чтобы масштабировать наше производство. С форматом А4 на рынки выйти нереально — мы просто не будем справляться с масштабированием синтеза.
А какой размер планируется в идеале? Огромный лист? Полотно?
Сами нановолокна синтезируются струйно, то есть их можно производить очень большой длины. Процесс заключается именно в их модификации. Нам потребуется закупить большой реактор для того, чтобы наносить тонкий слой полимера, который будет впоследствии использоваться для иммобилизации каких-то соединений, факторов роста, антибиотиков, чтобы добавлять требуемые свойства.
Пожалуйста, поделитесь с нами планами! Какие исследования намечаются в ближайшем будущем?
Занимаясь наукой, конечно, невозможно концентрироваться исключительно на одной задаче. Я работаю в нескольких областях, в том числе мы делаем антибактериальные покрытия на имплантаты. А еще мы заняты системой доставки лекарственных препаратов в раковые клетки. Комбинируя эти подходы, мы получаем очень убедительные результаты в разных областях.
У нас огромная просьба! Дайте, пожалуйста, несколько советов ребятам, которые твердо решили, что их судьба будет связана с научной деятельностью!
Думаю, что самое главное в этом вопросе — ориентироваться на свои желания. А еще нужны энтузиазм, стремление исследовать, разрабатывать и создавать. Свой путь, как мне кажется, стоит начинать исходя из внутреннего желания сделать что-то классное. Я уверена, что, если оно есть, стоит рискнуть и попробовать. Мой совет ребятам: не зацикливайтесь на одной области, расширяйте горизонты! Например, по первому образованию я химик, по второму — материаловед. Занималась также и биологией. У меня как раз тот самый стык наук, на котором рождается что-то новое. Именно в тот момент, когда ты узнаешь новые подходы, появляются идеи, которых раньше не было.
«Новый подзарядки смартфонов»
Данила Саранин,
инженер лаборатории перспективной
солнечной энергетики НИТУ «МИСиС»
Расскажите, пожалуйста, о вашей разработке: о новом поколении солнечных батарей, которым вполне достаточно рассеянного света.
Все привыкли, что солнечные батареи — это такие темно-синие прямоугольники на крышах домов, на светофорах. Но это технология первого и второго поколений, на основе кремния. Вся окружающая нас электроника, которую люди создавали около полувека, — все это кремний! Все связано с серьезной вакуумной технологией, сложными процессами и целой индустрией. Сейчас активно продвигают альтернативную энергетику и использование солнца, но это недостаточно дешево, чтобы мы могли внедрять такие технологии повсеместно. Другими словами, сегодня мы можем себе позволить чистую энергию, только она будет очень дорогая! А для того, чтобы мы смогли внедрять солнечные батареи вообще везде, нужно было разработать более дешевую технологию, без вакуумных процессов. И вот в начале 2000-х годов появился новый материал, который поглощает свет лучше, чем кремний. Это соединение как раз и есть гибридный перовскит (перовскит — это минерал, который был назван в честь русского государственного деятеля, коллекционера минералов графа Перовского. Мы же говорим о классе материалов с кристаллической структурой, подобной этому минералу, — как раз из-за подобия они одноименные — прим. Д. Саранина). Преимущество в том, что КПД, или эффективность, наших солнечных батарей такой же, как у кремния, но для нашего производства нужны не вакуумные процессы, а принтеры. Солнечную батарею можно напечатать, как постер, с использованием специальных чернил.
То есть вы удешевили процесс производства?
Да! Мы существенно — более чем в два раза! — удешевляем процесс производства. Для нашего проекта не потребуются ни толстые стеклянные рамы, ни средства на конструкцию для установки солнечных батарей. Все будет печататься на рулонах гибких подложек — правда, для этого нужны специальные принтеры и специальные чернила. Интересно, что это можно печатать и на стекле, и на пластике. А еще — сделать солнечную батарею полупрозрачной! Представьте, что возможна печать прямо на лавсан (недорогой синтетический материал, пригодный, например, для производства бутылок для газированной воды — прим. ред.)! Мы можем напечатать наши солнечные элементы и по принципу стикера, а потом приклеивать их куда угодно. Например, наклеим на окно — у нас будет энергоэффективное окно. Можно завесить целый фасад здания, а можно приклеить на браслет фитнес-трекера или на корпус сотового телефона, чтобы этот стикер постоянно дозаряжал наши гаджеты.
То есть размеры стикера могут быть разными, в зависимости от…
Что интересно в этой технологии — мы можем масштабировать сколь угодно мало и сколь угодно много. Маленький стикер в один квадратный сантиметр питает автономное устройство интернета вещей или какой-нибудь bluetooth-передатчик. Или это могут быть компенсирующие энергозатраты рулоны на фасаде здания — площадью десятки квадратных метров!
И все, что нужно, — это солнышко?
Здесь очень важный момент! Классические солнечные панели используются эффективно при прямом солнечном свете. Если погода пасмурная или в наличии только офисное освещение, то существующие технологии не очень рентабельны. Отличительные свойства перовскита (помимо того, что это дешевая тонкопленочная печать) — в том, что он преобразует тусклый свет намного лучше, чем кремний. Если раньше мы видели солнечные батареи только в калькуляторах и, может быть, в беспроводных клавиатурах, то сейчас использование новых, перовскитных батарей на стекле или на пластике может реально обеспечить энергией устройства интернета вещей, электронику, в том числе различные гаджеты. Света, который нас с вами сейчас окружает, — рассеянного, 200 или 400 люкс, — вполне достаточно для питания Wi-Fi-роутеров, ИК-передатчиков и еще многого другого!
А если попробовать описать разработанное вами устройство словами? Как оно сконструировано?
Наш солнечный элемент — очень тонкая структура! Всего полмикрона, тоньше человеческого волоса, и при этом он эффективно генерирует электричество. Если описать словами, то «сэндвич» из слоев — это самая прямая аналогия. Темный слой перовскита поглощает свет, а с двух сторон он обложен специальными транспортными слоями. Одни берут на себя только положительные заряды, другие — только отрицательные. Кроме того, есть два электрода: один — металлический, другой — прозрачный. А принцип работы такой. Вы, конечно, знаете, что дисплеи смартфонов реагируют на нажатие и что каждое нажатие — это какое-то замыкание контактов. Именно эту роль в нашей разработке выполняет прозрачный проводящий электрод — он и пропускает свет, и проводит электричество.
Это потрясающая технология! И пока что невозможно найти ни одного минуса. Или их практически нет?
Первая, фундаментальная проблема перовскитов — в том, что из-за специфического строения молекулы, где есть йод или бром, начинается внутренняя коррозия устройства. К сожалению, это не позволяет обеспечивать желаемую долговечность службы — до 10 или даже 20 лет. Сейчас рекорд использования новой батареи при постоянном солнечном излучении — более года. Наша цель заключалась в том, чтобы использовать эти элементы при рассеянном свете, когда интенсивность падающего излучения в тысячу раз меньше. Соответственно, и процесс деградации также не столь ускорен.
Вторая трудность: мы разработали целый ряд прототипов на стекле или пластике — теперь важно эргономично и эстетично интегрироваться в эти устройства, а это серьезная инженерная задача!
Как бы вы сами назвали свою профессию? Ведь вы материаловед, технолог, безусловно инженер, а еще, наверное, биолог, физик, химик! Кто вы на самом деле?
(смеется) Я привык себя называть ученым-инженером. Важно понять, что мы занимаемся фундаментальными вещами и разработкой материалов, — это первое. Второе: мы делаем устройства не на перспективу, а в режиме реального времени. Вот оно, устройство, и оно уже дает мощность! И третье: мы сейчас занимаемся чисто прикладной деятельностью, интеграцией наших устройств. В этом есть преимущества нашей лаборатории, нашего университета — НИТУ «МИСиС». Это технологический университет, и мы даем уже что-то близкое к жизни. В нашей лаборатории помимо меня работает целый коллектив молодых ребят. У нас отличная сбалансированная команда. Нам в принципе нравится заниматься устройствами и тем, что реально может улучшить нашу жизнь!
А когда вы пришли в науку и поняли для себя, что, скорее всего, ваш путь — это научные разработки и исследования?
Ох, у меня много всего сошлось в жизни — наверное, это и повлияло на выбор деятельности! (смеется) Мои родители, а еще бабушка с дедушкой — инженеры-электротехники. Я с детства был ориентирован и нацелен на инженерные специальности. После университета отработал полтора года на предприятии, где постарался проявить себя как разработчик. Но производство — это всегда строжайшее следование технологии, там мало шансов творчески реализовать свои инженерные идеи. Я понял, что если хочу заниматься именно этим, то нужно прийти в университет. Мне повезло — НИТУ «МИСиС» предоставил целый ряд таких возможностей. Я, безусловно, вырос как специалист и стал частью команды лаборатории, где сейчас мы и разрабатываем полезные, как нам кажется, вещи.
Что посоветуете старшеклассникам, которые совсем скоро будут выбирать вуз и, возможно, область профессиональной деятельности?
Главное, что я могу посоветовать, — делать, а не ждать! Не стоит ориентироваться исключительно на чьи-то советы и рекомендации. Нужно пробовать, а если что-то вдруг не получилось — ничего страшного, нужно пробовать еще и еще! Зачастую выпускники школ просто боятся провалиться — это страх неудачи и плохой оценки. Не бойтесь — вы нарабатываете опыт даже с неудачами. Используйте все возможности, даже если поначалу вам покажется, что это не совсем то, о чем мечталось. В Москве есть просто бесконечное количество программ по привлечению ребят в университеты буквально со школьной скамьи!
текст: Е. Рипс
фото: Р. Красноперов
Загрузка...
