Учёные редко о себе рассказывают, ведь они заняты серьёзной наукой и им не до этого. Наш блогер, журналист Юлия Шуляк, собрала рассказы 13 молодых исследователей об их работе. Теперь мы узнаем, как выглядит современный учёный!

Всё больше молодых людей интересуется наукой и становится исследователями. Они работают не только в составе научных коллективов под руководством опытных учёных, но и сами выступают в роли руководителей небольших научных групп. Так работают победители молодежного конкурса Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда. Тринадцать учёных из разных городов и научных организаций страны рассказывают, какими перспективными направлениями науки они занимаются и что полезного их результаты принесут.

1. Все цвета радуги могут работать

Сегодня люди тратят столько энергии, как если бы каждого человека постоянно освещало две 100-ваттные лампочки. Это много, но в то же время от Солнца на Землю поступает энергии в десять тысяч раз больше. Солнечная энергетика могла бы решить проблему, но промышленная солнечная батарея «отбивает энергозатраты» на её производство только через год непрерывной работы. Решение предложил швейцарский учёный Михаэль Гретцель из Политехнической школы Лозанны. Он разработал схему солнечного элемента, напоминающую процесс фотосинтеза. Солнечный свет поглощается красителем (в растениях — зеленым пигментом хлорофиллом, в фотоэлементах — светочувствительными молекулами или наночастицами) и запускает цепочку химических реакций. В чём плюсы? Во-первых, создание фотоэлемента требует существенно меньших энергозатрат, чем производство кремниевых батарей. Во-вторых, кремний поглощает лишь часть солнечного спектра, а оставшаяся часть спектра не участвует в работе фотоэлемента.

В нашем проекте мы ищем способы получить материал, работающий во всём диапазоне «радуги». Для этого можно сочетать наночастицы из разных материалов

Разные участки «радуги» будут действовать на разные наночастицы, возбуждая в них электроны для выработки электрического тока в фотоэлементе. Этот же эффект можно использовать для разложения вредных веществ, оставшихся после промышленного загрязнения. Ранее для борьбы с насекомыми широко использовали ДДТ (запрещенное во многих странах вещество). Его молекулы не разрушаются десятилетия, усваиваются животными и рыбами, вместе с ними мигрируют по планете, достигая Антарктиды, с пищей попадают в организм человека и приводят к разным заболеваниям. Разрабатываемый нами наноматериал может служить катализатором разложения ДДТ при облучении солнечным светом. Оба аспекта применения материала — солнечная энергетика и разложение загрязнителей — относятся к области «зелёной химии» и позволяют сделать жизнь на нашей планете чище и безопасней.

---

2. Адаптивная оптика — королевство кривых зеркал

Земная атмосфера, в том числе слой воздуха, которым мы дышим, находится в хаотическом турбулентном движении. Поэтому излучение от далекой звезды, проходя через нашу атмосферу, претерпевает флуктуации — искажения. В результате изображение звёзд дрожит, размывается и мерцает, мешая астрономам наблюдать небесные тела. Устранить эти трудности призваны адаптивные оптические системы при помощи специальных зеркал, которыми можно управлять. Но если атмосфера искажает случайно, то как правильно управлять зеркалом? Для этого нужен измеритель искажений и математический алгоритм управления. Конечно, в реальности системы более сложны, а области применения не ограничиваются астрономией: это лазерные комплексы, системы слежения за воздушно-космическими объектами и биомедицина. Главная особенность таких систем — это способность работать в реальном времени. В случае работы в атмосфере это доли секунды: пока не изменились турбулентные флуктуации. Достичь такого быстродействия непросто. Мы предлагаем применять математические методы прогнозирования, чтобы повысить быстродействие, а значит, сделать систему более эффективной.

---

3. Новые катализаторы для солнечной энергетики

Что в большинстве случаев делает современный человек, когда хочет узнать, сколько времени, какая погода будет завтра или в каком году родился известный писатель? Скорее всего он берёт смартфон и ищет ответы в интернете. Ещё никогда в истории практически безграничные возможности по поиску знаний и общению не лежали буквально у каждого человека в кармане. Всё это стало возможно благодаря массовому внедрению в производство вычислительных чипов на основе кремниевых транзисторов. С каждым годом требования к качеству сырья для их создания и количеству растут, сфера применения кристаллического кремния расширяется, также растут требования экологической безопасности и желание потребителей получить продукт подешевле. К сожалению, производство кремния опасно, вредно и приводит к большому количеству отходов.

Работа нашего коллектива направлена на создание высокоактивных катализаторов — веществ ускоряющих химическую реакцию. Создание таких веществ — творческий процесс, в котором учёный-химик выступает в качестве дизайнера, который на основе проведённых научных исследований «пришивает» к катализатору то, что он считает нужным для получения определённых свойств. Такие катализаторы позволят перерабатывать отходы текущих кремниевых производств в кристаллический кремний безопасным для окружающей среды образом, делая природу чище, а гаджеты — доступнее.

---

4. Превращение «ненужного» сырья в востребованный продукт

Из нефти и продуктов её переработки получается большая часть исходного сырья для химической промышленности, которая производит полиэтиленовые пакеты, пластиковые бутылки, косметику и многое другое. Постоянно сокращающиеся запасы нефти требуют поиска альтернативных источников, что таит серьёзные, пока ещё не решённые научные проблемы. Один из возможных выходов — увеличение глубины переработки нефти. Это подразумевает использование тех компонентов, которые ранее не перерабатывались, а сжигались. Тут есть большой потенциал, поскольку глубина переработки нефти в России составляет 74%, в Европе — 85%, в США — 96%.

Побочными продуктами нефтедобычи, которые пока мало перерабатываются, являются нефтяные газы. Они содержат метан, этан и пропан. Мы исследуем катализаторы сложного состава, которые позволяют с высокими выходами превращать «ненужное» сырьё — этан и пропан — в ценные химические продукты. Чтобы катализатор работал эффективно, все компоненты должны быть включены в единую сложную структуру. К сожалению, в процессе работы эта структура разрушается и свойства теряются. В рамках проекта мы пытаемся с помощью широкого набора современных методов исследования разобраться, как на атомном уровне формируется и разрушается активная структура и как можно сделать её устойчивой.

---

5. Хрупкость и пластичность почвенного микромира

Почва — это зеркало ландшафта, не просто отражающее рельеф, климат, биоту и материнские породы, которые способствовали её развитию, а сохраняющее информацию о них в виде определенных свойств. Некоторые свойства, например, цвет и температура, называемые «почва-момент», легко записываются и легко стираются. Для записи других необходимы стабильные условия в течение длительного времени (так называемые «почва-память»). Свойства «почва-память» используют, когда необходимо узнать условия, в которых почва образовалась или как эволюционировала.

В нашей работе мы хотим сравнить на разных масштабных уровнях (крупного региона и небольших холмах) сопряженные почвы, развивающиеся в более сухих и увлажненных условиях тундр, тайги и лесостепи Западной Сибири. Нам бы хотелось выявить свойства «почва-память», связанные с содержанием и распределением соединений металлов, глинистых и неглинистых минералов. Это позволит охарактеризовать и предсказывать изменения в циклах веществ в условиях изменения климата в ландшафтах Западной Сибири.

---

6. Инфохимия для создания «умных» материалов

Тенденция рассмотрения важных проблем с привлечением интердисциплинарных областей привела к тому, что в IТ-университете Университете ИТМО возникла кафедра химии, где одно из основных направлений деятельности — информационные технологии — рассматривается в совершенно для него новом направлении: на молекулярном уровне и в химических системах.

В недавно созданной лаборатории «Инфохимии» мы работаем по нескольким направлениям: от создания искусственной клетки до систем программирования бактериальных биоплёнок и умных динамических материалов, включаемых светом, изучение и моделирование разных систем и нелинейных процессов. Так, например, нелинейные процессы, протекающие на границе раздела фаз полупроводника и полимерных нанослоев, повторяют особенности множества процессов, протекающих в природе — восстановление тканей, транспорт веществ в живых клетках. Мы создаём новый тип «умных» материалов, которые понимают, как изменяется показатель кислотности среды, что меняет их оптические свойства под действием света различным образом (в зависимости от длины волны света). Разработанные методы дают новый стимул к развитию физической химии поверхностных явлений и нелинейных процессов, происходящих на границе раздела фаз при активировании и релаксации системы светом.

---

7. Не суди по объёму!

Представьте, что в предмете размером с маленький автомобиль или шкаф, стоящий в вашем доме, может поместиться не несколько кубических метров воздуха, которым вы дышите, а более 100. Такое возможно, если создать определенную температуру и давление. Например, из воды могут образоваться газовые гидраты — твёрдые кристаллические соединения, внешне напоминающие лёд или снег, способные содержать в единичном объёме до 160–180 объёмов чистого газа. Различают техногенные и природные газовые гидраты, одни образуются в системах добычи газа, а другие находятся в рассеянном состоянии в недрах Земли. Научный интерес к ним растёт каждый год, не только потому что в них находится более 50% углеводородного сырья от общего количества на Земле, но и потому что они хорошие аккумуляторы других газов, что можно применять для других технологических решений.

Мы занимаемся разработкой гибридного метода извлечения благородных газов из природного газа и на выходе из ядерного реактора

В основу метода легло использование газовых гидратов, как отличных аккумуляторов благородных газов: неона, криптона и ксенона. Их применение невероятно разнообразно, в качестве рабочих сред они используются в различных областях: от медицины до наноэлектроники.

---

8. Исследование роли атмосферных циклонов в климатической системе

Где идёт дождь на Земле? Практически везде, кроме пустынь. А где источник влаги, которая выпадает в виде дождя, снега или града? Главный источник влаги в атмосфере — это поверхность Мирового океана, с которой испаряется около 90% всей воды, находящейся в атмосфере. Капли дождя попадают в атмосферу с поверхности океана не там, где выпали, а за тысячи километров. Например, если дождь или снег идёт в Екатеринбурге, то частицы воды могли проделать расстояние в 7000 км в атмосфере из Северной Атлантики, прежде чем выпасть на Землю. Какой атмосферный механизм переносит эти частицы с запада на восток и доставляет океанскую влагу на континент?

Атмосферные вихри — циклоны — участвуют в переносе как влаги, так и тепла в атмосфере

В исследовании мы ставим разные вопросы: где и как часто образуются атмосферные циклоны, насколько согласована изменчивость характеристик циклонов и влагопереноса в атмосфере, изменилась ли за последние полвека локализация мест зарождения и распространения циклонов и источников атмосферной влаги, что будет, если изменится локализация тёплых течений в океане, будут ли циклоны «реагировать» и доставлять влагу в другом режиме или в другие области? Мы анализируем многолетние архивы данных о состоянии атмосферы и океана, используем численное моделирование, спутниковые наблюдения, математический аппарат, современную визуализацию данных и скоро сможем улучшить качество сезонного прогноза погоды. Например, зная состояние океана и характеристики циклонов весной, мы сможем точнее спрогнозировать, каким будет лето: засушливым или влажным.

---

9. Учёные ищут маленькие гены у маленьких растений

Чем выше колонна, тем больше нужно приложить инженерной смекалки, чтобы не допустить её падения. Особенно если на вершину колонны водрузить тяжёлый груз, например, памятник. Эту проблему, но только у пшеницы, решил селекционер Норман Борлауг, открыв гены низкостебельности. Соломина новых сортов стала ниже, не вытягивалась даже при высоких дозах азотных удобрений, необходимых для налива колоса, и смогла выдерживать большой груз. Это получило название «Зелёной революции», а сам Борлауг — всемирное признание и Нобелевскую премию. Со временем два открытых гена (Rht-1 и Rht-2) широко распространились. По некоторым оценкам, до 80% всех возделываемых сортов пшеницы несли хотя бы один из них. Но у любой даже самой блестящей медали есть и обратная сторона: эти гены снижают длину проростка, не давая ему выбраться из-под слоя почвы, замедляют рост растений, снижают устойчивость к ряду заболеваний. Значит, подходят далеко не для всех зон земледелия.

Мы решили заняться поиском новых генов низкостебельности при помощи самых современных методов генетики. Найденные гены мы проверим по их влиянию на урожайность и устойчивость к болезням. Ведь даже самое низкое растение будет бесполезно, если не даст нужный урожай. Кстати, искать гены низкостебельности мы будем не только в пшенице, но и в других культурах. Главное — найти, а с учётом современных биоинженерных технологий в пшеницу перенести их всегда сумеем.

---

10. Как изменение климата и эволюция человека повлияли на неандертальцев Кавказа

Научный проект «Взаимодействие человека и природы в древности на Центральном Кавказе» объединил археологов, зоологов, ботаников, геологов и геофизиков. Учёные сосредоточились на изучении стоянки древнего человека в пещере Саражд-Чуко, расположенной в Приэльбрусье. В этом уникальном районе находится единственное на Северном Кавказе месторождение высококачественного каменного сырья — обсидиана. Древний человек посещал его на протяжении всего каменного века, однако только в 2016 году здесь удалось обнаружить стоянку эпохи неандертальцев — пещеру Сарадж-Чуко.

Первые результаты исследований позволяют говорить, что неандертальцы появились в этом регионе в период межледниковья, около 130-110 тысяч лет назад. Культурные традиции популяции резко отличались от культуры неандертальцев Северо-Западного Кавказа. Нам предстоит изучить, каким образом глобальные климатические циклы влияли на заселение различных регионов, механизмы появления технологических новаций, причины миграций и перезаселения, адаптации культуры к условиям окружающей среды в процессе антропогенеза.

---

11. Охладить нельзя промедлить! Куда поставить запятую, или разумное управление процессом охлаждения

Многие из нас с интересом наблюдали за работой кузнецов. Сначала они разогревают докрасна металлические заготовки, затем придают им нужную форму и опускают в чан с водой. Попадая в воду, раскаленный металл издаёт громкий треск и шипение.

«Начинающие исследователи» повторяют увиденное в полевых условиях: опускают раскаленные шампуры в ведро с водой или бросают гвозди из костра в лужи

При контакте очень горячего тела с жидкостью последняя мгновенно превращается в пар. Этот эффект, известный как эффект Лейденфроста, каждый из нас наблюдал, когда капля жидкости каталась по раскаленной сковороде как будто невесомая. Паровая подушка, возникающая между каплей и горячей поверхностью сковороды, из-за низкой теплопроводности пара позволяет капле жидкости существовать достаточно продолжительное время (до сотни секунд) и скользить по поверхности практически без трения. Режим кипения, когда возникает паровая прослойка между горячим телом и жидкостью, называется плёночным кипением. Он характеризуется низкими темпами охлаждения, поэтому существуют проблемы закалки металлических изделий и охлаждения активной зоны ядерного реактора.

Изучением пленочного режима кипения и занимается наша научная группа в стенах МЭИ. Мы проводим те же манипуляции, что и кузнецы, только в качестве заготовки используем цельные металлические шары из меди, никеля и стали. Нагреваем их до температур порядка 800ºС с помощью высокочастотной индукционной печи, затем опускаем в резервуар с охлаждающей жидкостью, например, дистиллированной водой, этиловым спиртом, их смеси разной концентрации, изопропиловым спиртом, а также уникальную жидкость перфторгексан, которая почти в два раза тяжелее воды. В процессе эксперимента, с помощью вмонтированных в шар термопар, получаем значение температуры в разных точках шара, а с помощью высокоскоростной видеокамеры можем разглядеть процессы кипения (формирования паровой пленки, рост и отрыв пузырей). Уникальные экспериментальные результаты позволили нам первыми в мире предложить физическую модель, которая объясняет природу сверхинтенсивного взаимодействия горячих тел с жидкостями.

---

12. Когда частицы становятся волнами

В «классической» картине мира XIX века частицы вещества при столкновении друг с другом рассеиваются как шарики для настольного тенниса. Если частицы не являются элементарными, то при очень сильных столкновениях они могут распадаться на более мелкие составляющие. Учёные, работающие на мощных ускорителях частиц, коллайдерах, именно так изучают сегодня устройство микромира. Однако уже почти сто лет назад физики осознали, что все частицы вещества могут вести себя так же, как волны. В «квантовой» картине мира сталкивающиеся частицы могут не только рассеиваться, но и интерферировать между собой или даже вообще пролететь друг сквозь друга безо всякого взаимодействия. За последний век учёные выяснили, что волновая природа материи проявляется наиболее мощно для частиц, скорость которых мала по сравнению со скоростью света. К макроскопическим проявлениям таких свойств относится явление сверхпроводимости. В современных экспериментах на коллайдерах скорость частиц должна быть очень большой, поэтому частицы ведут себя в основном классически, как компактные объекты, а не как протяженные в пространстве волны.

Мы изучаем теоретические проявления волновой природы вещества при столкновении пучков частиц на современных ускорителях. За последние годы физики научились манипулировать волновой природой частиц и создавать особые виды волн материи. С различными видами «обычных» волн мы сталкиваемся в повседневной жизни в явлении радуги, при наблюдении расходящихся кругов от брошенного в воду камня, следа от быстро плывущей по воде утки и в других ситуациях. В столкновении квантовых аналогов таких волн могут проявляться различные фундаментальные свойства вещества, недоступные для изучения обычными «классическими» пучками. Мы изучаем такие частицы-волны и их свойства, разрабатываем теорию их столкновений и формулируем предсказания новых квантовых эффектов, которые могут быть экспериментально изучены на современных физических установках, а также разрабатываем возможные практические приложения.

---

13. Просветляющие микроструктуры: устраняем потери, размывая границы

Для современной оптической техники наличие внутренних потерь световой энергии недопустимо. Общее правило: меньше потерь — лучше система. Чаще всего потери возникают из-за так называемого «френелевского отражения» — отражения света на границах раздела сред, например, воздуха и стекла. Из-за него на одной линзе может потеряться до 30% падающего света. За последние 200 лет человечество изобрело немало способов устранять френелевское отражение. Один из них, предложенный ещё лордом Джоном Уильямом Релеем (1842 — 1919) в 1881 году, — создание на оптической поверхности, которая граничит с воздухом, такого градиента показателя преломления, чтобы излучение как бы не замечало границы между воздухом и стеклом. Один из методов, позволяющих создать такой градиент, заключается в создании специальной микроструктуры на поверхности. При этом размеры элементов микроструктуры должны быть очень маленькими, сопоставимыми с длиной волны излучения, в оптическом диапазоне это около 1 мкм. Даже в начале XXI века создание такой структуры — сложная задача.

Учёные из Бауманки и ФИАНа создают такие микроструктуры с помощью современной лазерной технологической установки, которая с помощью импульсов длительностью 10-13 секунд делает небольшие отверстия на поверхности, испаряя часть материала и формируя градиент показателя преломления, благодаря которому потери можно уменьшить в 100 раз!