От спинорбитроники до палеонтологии: что будут изучать ученые ДВФУ на синхротроне РИФ

Эксперты обозначили четыре экспериментальные станции первой очереди строительства уникальной научной установки — синхротрона «Русский источник фотонов» (РИФ) на острове Русском во Владивостоке. Список объектов был озвучен в ходе встречи ученых университета и Дальневосточного отделения Российской академии наук с представителями Национального исследовательского центра «Курчатовский институт». Экспериментальные станции позволят дальневосточным ученым проводить передовые исследования в самых востребованных в регионе областях — материаловедении, химии, медицине, биологии и археологии, сообщает ИА PrimaMedia.

Синхротронное излучение (СИ) было обнаружено в 1947 году физиками высоких энергий, которые изучали устройство ядра, разгоняя заряженные частицы. Ученые выяснили, что при повороте заряженных частиц (электронов) часть вложенной в ускорение энергии терялась, создавая излучение, которое изначально считалось «паразитным».

Только спустя девять лет физики нашли ему полезное применение: оказалось, что СИ не только превосходит в яркости все лабораторные приборы, но и обладает уникальным спектром рентгеновского, ультрафиолетового и инфракрасного излучений, что позволяет исследовать атомарную структуру самых разных объектов.

Открытие вызвало огромный интерес ученых, и сегодня в мире действуют около 70 источников СИ — синхротронов. Появление такой установки считается маркером не только научно-технологического, но и экономического развития страны. На Дальнем Востоке «Русский источник фотонов» станет первой машиной подобного класса.

«Синхротрон “Русский источник фотонов” — научный объект мирового уровня. Экспериментальные станции первой очереди позволят ученым со всей России проводить наиболее востребованные исследования причем не только фундаментального, но и прикладного характера», — подчеркнул ректор ДВФУ Борис Кробец.

Под запросы дальневосточных исследователей

Все оборудование синхротрона можно представить в виде двух технологических узлов. Первый — это ускорительно-накопительный комплекс, в котором разгоняются элементарные частицы — источники излучения. Второй «узел» состоит из оборудования, позволяющего с высокой точностью контролировать параметры полученного СИ — экспериментальной станции. Станция — самая ценная и при этом самая «гибкая» часть синхротрона, которая настраивается под запросы ученых. Именно здесь находится рабочее место исследователей, происходят эксперименты и их интерпретация.

Синхротрон «Русский источник фотонов» будет иметь 4 экспериментальных станции первой очереди, 6 — во второй, а всего возможно реализовать до 30 экспериментальных станций. Ученые ДВФУ совместно с экспертами Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» в ходе установочной встречи определили назначение, оборудование и требования к первым станциям.

«Мы хотим сделать запуск синхротрона РИФ максимально эффективным и понятным для научного сообщества Дальнего Востока. Именно поэтому мы постарались максимально широко обсудить проекты, которыми занимаются ученые в ДВФУ и ДВО РАН: какие существуют научные задачи, и какие из них уже сейчас можно решать с помощью синхротронов. В итоге нам удалось определить запросы на экспериментальные методы, востребованные у дальневосточников», — рассказал координатор проекта «РИФ» от Курчатовского комплекса синхротронно-нейтронных исследований НИЦ «Курчатовский институт» Сергей Звонарев.

Самые востребованные направления

Первая обозначенная экспериментальная станция — Станция фотоэлектронной спектроскопии с анализом спиновых и магнитных состояний. Она позволит проводить исследование современных материалов для микроэлектроники, а также переходить к новым способам записи, хранения и считывания информации. Подобные исследования уже проводятся в ДВФУ на лабораторных приборах, но для измерений требуются месяцы, что сильно ограничивает ученых. Синхротрон значительно увеличит скорость экспериментов и расширит исследовательский потенциал. Кроме того, у ученых ДВФУ есть запрос на исследование магнитных материалов, которое планируется реализовать с помощью установки.

Следующая станция спектроскопии рентгеновского поглощения — мультифункциональная лаборатория, которая не ограничена одним методом. Ее оборудование откроет новые возможности для химиков, изучающих металлы и металлургические процессы, а также для химиков-биологов, конструирующих молекулярные комплексы. Впрочем, область применения не ограничена химией — в экспериментальной станции ученые смогут вести исследования новых материалов или более подробно исследовать процессы, происходящие в живых системах. Таким образом удастся решить ряд экологических задач, изучив, например, механизм накопления полезных или опасных веществ в организмах.

Третья экспериментальная станция — визуализации будет оборудована особо мощными томографами. В отличие от лабораторных приборов, которые «видят» любое соединение разнородных веществ как темное пятно, синхротрон дает исчерпывающее представление о структуре объекта, будь то сложный компонент из пластика и металла или живая мышечная ткань, волосяной покров. Благодаря уникальному свойству, данное оборудование может быть использовано для конструирования промышленных деталей или реверс-инжиниринга. Также прибор будет востребован у ученых, разрабатывающих биосовместимые имплантаты, и исследователей, изучающих онкологические заболевания.

Еще одна область применения станции визуализации — исследование палеонтологических находок. Синхротронное излучение позволит не разрушать ценные объекты и при этом получать важные сведения о структуре вещества и его составе. Например, в синхротроне РИФ могут оказаться экспонаты со Стеклянухинского городища — научного полигона, где проводятся археологические раскопки, изучается древняя история Приморского края и исследуется своеобразие отдельных локусов.

Четвертой экспериментальной станцией РИФ станет станция рентгеновской дифракции. Здесь исследователи смогут изучать атомарную структуру вещества методами порошковой и монокристаллической дифракции. Также прибор позволит расшифровывать сложные структуры макромолекулярных комплексов и белковых кристаллов, что даст возможность очень быстро анализировать их взаимодействие с новыми лекарственными препаратами. Таким образом ученые ДВФУ смогут обнаружить намного больше лекарственных кандидатов.

«Уникальность в использовании синхротрона для Дальнего Востока видится в возможности применения экспериментальных методов в изучении морской биоты и природных ресурсов региона. На основе полученных данных синхротронных исследований дальневосточные ученые смогут создавать новые материалы для различных сфер промышленности и жизнедеятельности человека, а также понять природу живых и неживых объектов. Специалисты смогут наработать уникальные данные об археологических объектах и получить или подтвердить информацию о древних цивилизациях Дальнего Востока», — уверен к.х.н., заведующий лабораторией ядерных технологий Института наукоемких технологий и передовых материалов ДВФУ Евгений Папынов.

Новые возможности и новые направления подготовки

Наряду с планированием первых экспериментальных станций, ДВФУ запускает новые образовательные программы для будущих работников синхротрона, ведь для обеспечения полноценной работы «РИФ» университету необходимо подготовить 240 научных и инженерных специалистов.

Полный цикл подготовки кадров занимает около пяти лет, поэтому еще в прошлом году в ДВФУ была запущена образовательная программа «Использование синхротронного излучения» совместно с Московским государственным техническим университетом им. Н. Э. Баумана, национальным исследовательским ядерным университетом «МИФИ» и национальным исследовательским центром «Курчатовский институт». Выпускники смогут работать на синхротроне и экспериментальных станциях, высокотехнологичном научном и ускорительном оборудовании, а также разрабатывать инновационные проекты.

Кроме того, в прошлом году 10 молодых ученых ДВФУ прошли уникальную программу повышения квалификации «Генерация синхротронного и нейтронного излучения для исследования свойств материалов».

Напомним, строительство синхротрона РИФ на острове Русский ведется в рамках Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019 — 2027 годы, в которой НИЦ «Курчатовский институт» является головной научной организацией. На реализацию проекта РИФ правительство Российской Федерации до 2026 года планирует выделить 12,4 млрд рублей. Строительство научных установок класса «мегасайенс» ведется в рамках нацпроекта «Наука и университеты», реализуемого Минобрнауки России.