Как наука улучшит жизнь простых людей? О новых разработках молодых ученых из СПбГУ

Университет XXI века

Сегодня Санкт-Петербургский государственный университет — научный и образовательный центр мирового уровня, реализующий более 500 основных образовательных программ и более 800 дополнительных. Ученые университета проводят исследования практически во всех областях, реализуют научные и инновационные проекты.

Например, они создали новую классификацию важных для медицины пресноводных улиток, регулярно открывают новые виды микроорганизмов — только за 2023 год были открыты четыре новых вида тихоходок и два — почвенных амеб. Ученые СПбГУ обнаружили в мозгу человека белки, которые могут приводить к болезням Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона, и разработали гибридный препарат для подавления работы этих белков. Специалисты СПбГУ участвуют в создании материалов для микроэлектроники будущего, тест-систем для диагностики сточных вод и продуктов питания, умных беспилотников и многого другого.

Опыт старших и идеи молодых

В наше время одни новые задачи быстро сменяются другими. Если первый сотовый телефон весил больше килограмма и выполнял единственную функцию, то современные смартфоны весят около 200 г, и с их помощью мы решаем уже сотни задач. И так во всех сферах жизни. Для качественных преобразований нужны новые материалы. Также решения требует проблема сохранности информации во время передачи данных, экологичности устройств и новаторских идей для медицины.

Этим занимаются в Лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ, которую два года назад основал в университете Родион Резник. Здесь ученые создают и изучают новые материалы для светодиодов, транзисторов, солнечных батарей, лазеров, продолжают исследование и совершенствование квантовых точек, открытых выпускником СПбГУ и нобелевским лауреатом 2023 года Алексеем Екимовым.

"Результаты нашей работы широко известны в мире, несмотря на то что лаборатория была создана совсем недавно. Мы занимаемся созданием новых полупроводниковых материалов для электроники и микроэлектроники, квантовой информатики, телекоммуникаций и других применений. На основе таких наноматериалов можно увеличивать производительность приборов, создавать приборы для безопасной передачи данных. Например, мы хотим, чтобы наш телефонный разговор или банковские операции были защищены от перехватов. С помощью квантовых точек и одиночных фотонов, которые они излучают, мы можем создавать материалы, которые позволяют безопасно обмениваться информацией", — рассказал Резник.

Как вспоминает ученый СПбГУ, попал он в науку в первую очередь благодаря родителям. В старшей школе было трудно определиться с университетом, и отец посоветовал поступить в технический вуз на специальность "Электроника и микроэлектроника", так как это образование даст более широкий выбор профессии в будущем.

"Я, как и многие молодые люди, не любил учиться, делать домашнюю работу, но сам процесс познания приносил удовольствие — чувство, когда у тебя получается что-то новое, меня завораживало. Научный руководитель приоткрыл для меня целый мир, мы познакомились с людьми из разных стран, которые болеют одной идеей, между которыми нет никаких преград. После этого я познакомился с нобелевским лауреатом Жоресом Алферовым, и мы создали вместе цикл работ. Меня это все затянуло, и я, сам того не ожидая, остался в науке и стал работать по специальности. Недавно исполнилось ровно 10 лет, как у меня в трудовой книжке появилась запись "лаборант", — поделился Резник.

Несмотря на то что лабораторией руководит молодой ученый, в ней трудятся не только студенты, но и доктора наук, один из них — член-корреспондент РАН. Такой симбиоз, по мнению Родиона Резника, позволяет перенимать научный и жизненный опыт заслуженных людей, но при этом использовать фантазию молодого поколения, которое совсем иначе смотрит на мир. Изредка совершать новые открытия помогает и некая случайность или везение, считает ученый.

"Есть набор материалов, которые мы вообще создали впервые, и их никто не может пока повторить. Например, мы смогли синтезировать тройное соединение — алюминий, галлий и мышьяк в вюрцитной кристаллографической фазе. Что это такое, наверное, поймет только специалист, но этот материал можно активно использовать для оптоэлектронных приложений, потому что он имеет ряд преимуществ по сравнению с другими материалами", — рассказал Резник.

Для создания новых наноматериалов, которые не видны человеческому глазу, ученые применяют уникальную технологию — молекулярно-пучковую эпитаксию. Они самостоятельно выращивают необходимые кристаллы с помощью особо чистых материалов в условиях сверхвысокого вакуума, который выше, чем в космосе. Пластина для роста помещается в специальную вакуумную камеру и нагревается, а затем потоки молекул и атомов летят на поверхность пластины, где и происходит формирование наноматериалов с заданными структурными, электронными и оптическими свойствами. Сама пластина для роста может представлять собой чистый кремний — ключевой материал для электроники в настоящее время.

"Мы — одни из немногих в мире, кто может формировать такие структуры на кремнии, тем самым решая проблему интеграции оптоэлектронных устройств с кремниевой платформой. Мы можем синтезировать как объемные материалы, так и тонкие пленки, квантовые нити, квантовые точки для создания приборов нового поколения. Мы обладаем уникальной технологией формирования квантовой точки внутри нитевидного нанокристалла — это позволяет нам получить ряд преимуществ при создании квантовых устройств, потому что, манипулируя нитью, в которой находится точка, мы можем манипулировать и самой точкой — перемещать ее, направлять, подводить контакты и другое", — рассказал Резник.

Ученые ставят для себя задачи по разработкам, которые в первую очередь будут улучшать жизнь людей. Так, специалисты вместе с НМИЦ им. Алмазова проводили эксперименты по созданию технологии, которая будет подзаряжать кардиостимулятор от ударов сердца, есть идеи по созданию разработки, которая позволит воздействовать на нитевидный кристалл, вживленный в глаз, и изменять фокусное расстояние хрусталика. Также с помощью вживления и воздействия на этот материал можно восстанавливать слух, управлять сокращениями мышцы.

"Наука — это стиль жизни, я бы ни на что это не променял. В науке привыкаешь к тому, что успех — небольшой процент от того, что ты делаешь, мы же все-таки не на производстве. Мы стремимся к тому, чтобы все наши разработки были внедрены, хотим, чтобы наши солнечные элементы повысили эффективность использования солнечной энергии, хотим больше взаимодействовать с медицинскими учреждениями. В некоторых исследованиях мы опережаем заграничные разработки, поэтому сейчас нами интересуются, я думаю, что со временем этот интерес будет становиться все больше", — уверен Родион Резник.

Задачи диктует время

"Раньше никто даже предположить не мог, что в сточной воде могут содержаться гормоны, а сейчас эта тема набирает обороты, потому что люди бесконтрольно стали пользоваться антибиотиками, гормональными препаратами, все это с бытовыми отходами попадает в мировой океан и, конечно, вредит экологии. Или, например, нашумевшая тема — консерванты в пищевых продуктах, которые в больших количествах приводят к аллергическим реакциям, тяжелым хроническим заболеваниям. В мире существует масса примеров, когда производитель в целях наживы использовал вещества, которых в продуктах вообще быть не должно. Аналитикам приходится под такие задачи подстраиваться и искать пути решения вопросов", — рассказала профессор кафедры аналитической химии СПбГУ Ирина Тимофеева.

Ирина со школы увлекалась химией и биологией, поэтому для нее всегда существовало только два пути будущей профессии — либо медицина, либо химия. В итоге выбор пал на химический факультет СПбГУ.

"Пройдя практику по аналитической химии, я влюбилась с первого занятия, потому что она носит прикладной характер, то есть результаты можно сразу использовать для каких-то целей и задач, которые стоят перед пищевыми и медицинскими лабораториями, перед государством. Благодаря поддержке родителей я остановила свой выбор на науке, и я думаю, что это был самый правильный выбор. Я хожу на работу как на праздник, каждый день что-то новое, бывает такое, что уже вечером ложишься спать и что-то такое придумывается, а наутро бежишь и пытаешься это в лаборатории попробовать реализовать, а получится или не получится — это дело случая", — поделилась она.

Как говорит Ирина, начинала она свою деятельность с "мокрой" химии, то есть с работы в лаборатории с растворами и разработок методики для анализа различных объектов, поиска токсичных или полезных веществ. Самая ее известная работа — определение аммиака в бетонных смесях при строительстве монолитных зданий.

Строительные фирмы обратились в Санкт-Петербургский университет с просьбой решить проблему неприятного запаха, который появлялся в теплое время года. Оказалось, что производители бетонных смесей для устойчивости к морозам использовали добавки на основе мочевины, которые разлагаются при нагревании и выделяют молекулы аммиака. В результате в помещениях было невозможно находиться из-за сильного запаха.

"При длительном нахождении в таких помещениях возможно развитие в том числе онкологических заболеваний, поэтому вопрос встал остро. В итоге было разработано две методики — одна на определение мочевины, другая на определение ионов аммония в бетонной смеси. Фирмы до сих пор используют разработанные нами тест-системы раз в месяц для контроля качества", — рассказала она.

На протяжении 10 лет Ирина вместе с коллегой, тоже ученым СПбГУ Андреем Шишовым, создавала новые растворители на основе природных материалов для проведения анализов, так как методики, которые были разработаны в прошлом веке, не учитывали безопасность для здоровья и окружающей среды. Именно за эту работу исследователи университета стали лауреатами премии президента для молодых ученых. Исследования продолжаются, так как направление очень обширное.

Сейчас же Ирина является идейным вдохновителем для студентов и руководителем научной группы. Вместе с ребятами она проводит исследования, создает методики для лабораторного анализа и тест-системы. В перспективе любой желающий сможет приобрести в магазине устройство, которое будет напоминать лакмусовую бумажку, и в домашних условиях проверить продукты питания, воду на содержание разных веществ.

"Люди стали более бережно относиться к своему здоровью, и многие хотят контролировать качество, особенно того, что касается детей, — не будет ли вреден тот или иной продукт питания. Соответственно, методики, которые мы сейчас разрабатываем, будут пользоваться спросом в долгосрочной перспективе", — сказала она.

Идеология беспилотников

"Я с четырех лет увлекался радиоуправляемыми моделями. Занимался почти всеми видами: самолеты, вертолеты, корабли, подводные лодки, машинки, танки и др. Мой отец был одним из первых, кто вел разработки в области беспилотных вертолетов, в конце 1980-х он был одним из основных разработчиков большого вертолета с размахом лопастей 2 м. С детства отец меня активно привлекал к авиамоделизму", — говорит директор научно-образовательного центра "Математическая робототехника и искусственный интеллект" СПбГУ Константин Амелин.

Будучи студентом кафедры кристаллографии СПбГУ, Константин понимал, что для беспилотной отрасли необходимы комплексные знания, а "мозгом" любого робота является процессор, в основе которого кристалл.

"Мне было очень интересно развитие этого направления в России, особенно вопросы автоматизации процессов при создании радиоуправляемых моделей. Тогда я познакомился с людьми с математико-механического факультета, заинтересовался, немного подучился и поступил в аспирантуру математико-механического факультета СПбГУ. В 2010 году мы выиграли грант "Старт-1" фонда Бортника на разработку методологии обмена данными внутри группы беспилотников. После этого у меня был "Старт-2" и "Старт-3", а дальше развитие собственной компании", — рассказал он.

Идеология беспилотников начала развиваться в мире еще в начале XX века, но массовое развитие пришло с появлением первых квадрокоптеров в начале 2000-х. Как рассказал Константин, он с детства помнит журналы из коллекции отца, где были представлены телеуправляемые модели самолетов 1930-х и 1940-х годов, элементы там были простые, но это уже было похоже на современные разработки. Для развития отрасли беспилотников потребовалось много времени, потому что для всего нужна "притирка", убежден ученый. Например, его проект 2018 года по доставке почты квадрокоптерами не нашел отклика, а сейчас для этого создаются все условия.

"В теме беспилотников и вообще робототехники от науки уйти нельзя, потому что всегда нужно что-то совершенствовать, используя новые научные методы. Я предложил своему профессору, у которого защищал диссертацию, создать научное направление в университете по трансферу технологий, где научные идеи сразу будут выводиться на производство, то есть применяться на практике как можно скорее. Когда я пришел в университет в 2019 году, уже шла работа по созданию научно-образовательного центра, но не было административного звена — им стал я", — поделился Константин.

В научно-образовательном центре СПбГУ проводятся разработки электронных элементов для беспилотных летательных аппаратов, автопилота, электронных систем навигации. Среди ведущих направлений — разработка системы, которая позволяет одному оператору управлять сразу целой группой летательных аппаратов, при этом группа не зависит от центрального узла, что позволяет добавлять различные квадрокоптеры, самолеты, машины в неограниченном количестве. Также уже несколько лет ученые создают и совершенствуют беспилотники для поиска потерявшихся людей.

"В 2019 году мы начали создавать квадрокоптер, который способен летать и помогать поисковым бригадам при поиске людей, потерявшихся в лесу. Сначала мы пробовали использовать камеру, тепловизоры, различные датчики, которые визуально оценивают человека, но они требуют очень много ресурсов и, к сожалению, не всегда работают. Я много наблюдал за поисковыми группами, видел, как используются маленькие квадрокоптеры для того, чтобы делать фотографии, а потом их просматривать. Несколько раз казалось, что на фото изображен человек, поисковики выезжали, проходили несколько километров по лесу и находили какую-нибудь корягу", — рассказал руководитель центра Константин Амелин.

Пообщавшись с поисковыми группами, ученые СПбГУ выяснили: когда у потерявшегося человека есть с собой работающий телефон, привлекаются вертолеты. Пилот связывается с человеком и выясняет, слышит он звук винта или нет, таким образом удается выяснить местоположение человека. Однако вертолеты могут летать не везде и привлекать их не всегда возможно, поэтому в научно-образовательном центре разработали квадрокоптер с сиреной, который распространяет звук на расстояние 35 м при высоте полета в 50 м.

"Сейчас мы ищем людей с помощью мобильного телефона, наша конечная идеология — чтобы квадрокоптер мог слышать крики человека и мог на фоне всех шумов определять, что это действительно человек, и дать возможность через квадрокоптер общаться, чтобы определить, где он находится", — отметил Константин.

Для создания дрона, который будет искать людей по голосу, ученые провели исследование оперного голоса, которое показало, что в отличие от механического звука голос человека имеет уникальные тона, знание о которых можно использовать в программном обеспечении, чтобы оно разделяло типы звуков, искало нужный элемент и обрабатывало данные.

"Я всегда знал, что развитие беспилотных технологий произойдет во всех сферах. Законодательство, которое сегодня быстро развивается, дает большой толчок. Сейчас есть понимание, что это важно, и это огромный плюс", — подытожил Константин Амелин.

Дарья Иванова