Всеволод Твердислов (В.Т.), доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой биофизики МГУ:

– Уважаемые зрители, после недолгого летнего перерыва, мы возобновляем наши передачи о популярной науке. Для меня – это профессорские беседы, беседы с наиболее активными учеными нашей страны. И вот сегодня у нас в гостях высокий профессионал, профессор Московского университета, профессор физического факультета Яминский Игорь Владимирович. Тема сегодняшней нашей беседы – это нанотехнологии и наномир. Эту тему я и хотел бы развить. Только ли это технологии, к которым пришел ученый мир или это наномир, где есть своя физика, химия, биология? Вот эту передачу так вот я и хотел бы построить, если вы не возражаете. Прошу вас.

Игорь Яминский (И.Я.), профессор физического факультета МГУ, ген. директор «Центра перспективных технологий»:

– Да, Всеволод Александрович, спасибо большое. На мой взгляд, современная наука подошла к такому уровню, что, практически, в нашем обычном мире все законы физики уже открыты. Сейчас самые интересные законы – они или касаются галактики, это проблемы темной энергии, масса галактики казалась значительно больше. Может быть, это перевернет наше представление о современном мире, хотя на нашем уровне, все останется как было. А другая грань – это атомы, молекулы, электроны, все, что касается микромира и наномира. И там, на мой взгляд, есть самые интересные и острые проблемы современной физики.

В.Т.: – Есть ли там наука или это технологии?

И.Я.: – Я считаю, что, конечно же, это в первую очередь, технологии. Т.е. это искусство делать. Т.е. нанотехнологии, на мой взгляд, это не наука. Это свод правил, это умение. И на выходе должна быть готовая продукция. Но опираться надо на всю совокупность знаний.

В.Т.: – Вот не получается ли у нас, как и во всем мире, что обществу потребления понятнее поддерживать технологии и то, что сейчас называют высоко, а на самом деле это замечательная вещь, инновационными движениями в науке, в первую очередь, и очень осторожно поддерживать базу. Как вы видите вот отношение фундаментальной науки, от фундаментальной до потребителя, фактически?

И.Я.: – Я считаю, что вот наша российская наука – находится на самом высоком мировом уровне. И подтвердили это несколько раз: когда начала волна эмиграций наших людей в Израиль, через 10 лет в Израиле прошла научно-техническая революция. Основной продукцией Израиля стала, именно, хай-тек - инновационная продукция. Посмотрите, как востребованы наши математики в Америке, как прекрасные позиции, уже целые кластеры российские образуются в американских университетах.

В.Т.: – А теперь скажите, мы сами-то можем или мы сами уже не можем? Все уехали.

И.Я.: – Я считаю, что гены поменять невозможно. И гены талантливой нации, в смысле ученых, поменять нельзя. И это я постоянно вижу на том притоке студентов и в Московском университете, которые уже прошли всяческие отборы, экзамены, олимпиады – они бывают настолько сильными, в плане науки. А сейчас новая тенденция появилась. Они хотят что-то сделать реальное, т.е. в плане технологий и поэтому, я считаю, у Российской науки инноваций будущее есть.

В.Т.: – Не вы первый могли бы принести, но вы первым принесли инструменты, которые лежат перед нами на столе. И что это значит?

И.Я.: – На мой взгляд, главный инструмент в нанотехнологии – это линейка. Мы должны точно и правильно мерять нанометры, десятки нанометров, сто нанометров. Что такое нанометр? Ответ очень сложный. С точки зрения математики – очень простой: мы поделили метр на миллиард частей и получили нанометр.

В.Т.: – Как разделить метр на миллиард частей ровно?

И.Я.: – Вопрос очень интересный и технологически очень сложный. Недавно мы предложили достаточно простой способ и написали это в журнале «Квант», для того, чтобы абитуриент и школьники, которые интересуются физикой, смогли в своей домашней лаборатории сделать эталон одного метра.

В.Т.: – Это замечательно. На кухне?

И.Я.: – Практически на кухне. Мы подсчитали бюджет эталона в один нанометр, примерно 350 рублей.

В.Т.: – И каждый читатель журнала «Квант» теперь сможет сделать себе нанометр?

И.Я.: – Совершенно точно.

В.Т.: – Как?

И.Я.: – Ключевой элемент. Мы берем маленькую пьезокерамическую пластинку, такая как в наших компьютерах, часах, будильниках. Если к пьезокерамической пластинке приложить напряжение в 5 вольт, то она изменяет свои размеры на один нанометр.

В.Т.: – Как любознательный наш зритель увидит, что пластина расширилась на один нанометр, утолщилась? Или он только будет об этом знать?

И.Я.: – Он должен, конечно, прийти в лабораторию, где есть соответствующее оборудование.

В.Т.: – А скажите такое, а если периодический сигнал подать? Не батарейку приложить, а какой-то сигнал такой. Она будет звенеть?

И.Я.: – Да, она будет звенеть. И можно подобрать так, чтобы она сужалась и расширялась ровно на один нанометр.

В.Т.: – Вот и именно мы этот нанометр услышим?

И.Я.: – И мы услышим нанометр. У нас будет, совершенно правильно, – музыка одного нанометра.

В.Т.: – В принципе ведь, наверное, тогда можно играть симфонию?

И.Я.: – Можно играть симфонию, можно играть музыку, но главное – не забывать о метрологии.

В.Т.: – Игорь Владимирович, но ведь тут богатства у вас куда больше, чем вот эта пластинка. Что еще здесь у нас?

И.Я.: – Давайте я вам покажу копейку. Вот это копейка.

В.Т.: – Те, которые уже вышли из употребления, да?

И.Я.: – Это казалось, что вышла из употребления.

В.Т.: – Расскажите.

И.Я.: – У нас копейка двойного назначения. И мы поняли, что вот эта копейка стоит 50 американских центов. Копейка – это идеальный предметный столик для зондового микроскопа. В американском микроскопе предлагаются шайбы по 50 центов. Вы ставите в образец какое достоинство копейки? Она обладает магнитными свойствами. В микроскопах для того, чтобы легко и быстро поставить образец, используется магнитный держатель. Мы наносим образец на поверхность копейки, ставим в наш микроскоп. И как я теперь оцениваю качество микроскопичности, сколько у него копеек? Если у него 1000 копеек, это значит он хороший классный микроскопист. Если у него только 50 копеек, значит, он начинающий. Мы экономим каждый раз. Мы не берем американские шайбы по 50 центов, а мы берем нашу копейку, которая работает и как копейка, и как прекрасный держатель образца.

В.Т.: – Готовьте мешок.

И.Я.: – В 1871 году инновации развивались чрезвычайно быстро. Эдисон приходит со своим фонографом. А по сути дела, это прототип современного микроскопа. Иголочка, которая скользит по поверхности, она записывает рельеф, а после этого эта же иголочка воспроизводит рельеф на поверхности.

В.Т.: – На компьютере.

И.Я.: – На компьютере. Но в то время он превращал в звук.

В.Т.: – В звук.

И.Я.: – Если бы в то время Эдисон поставил задачу: можно ли с помощью его прибора увидеть атомы? И учитывая его дотошность, его энергию, его напор – я абсолютно уверен, что в 1871 или в 1872 году появился бы атомно-силовой микроскоп. Но история распорядилась по-другому. Атомно-силовой микроскоп родился в 1986 году.

В.Т.: – Сто лет. Какие наноструктуры в наномире наиболее нам интересны? Нам и потому уже потребителю. Какие структуры основные мы встречаем в наномире?

И.Я.: – Первая и самая главная – это изучение поверхности. Потому что мы общаемся со всем миром через наблюдение поверхности объемов. И поэтому состояние и качество этой поверхности – оно ключевое для всех современных технологий. Это очень важная вещь! Как устроена поверхность обычных материалов? Какова структура полимеров? Как выглядят самые главные биологические молекулы, ДНК, белки, липиды? Как детально выглядит…

В.Т.: – Поверхность клетки живой.

И.Я.: – …поверхность живой клетки? Мы можем достаточно деликатно сканировать поверхность живой клетки, не разрушая мембрану, и получая информацию не только о геометрии клетки, но и многих полезных свойствах: например, об упругости клетки.

В.Т.: – И электрический профиль поверхности тоже ведь вы можете определить. Так?

И.Я.: – Да. Если мы используем проводящую игру, подаем потенциал – мы можем мерять кулоновскую силу, можем мерять электрические поля вблизи живых объектов. Или можем мерять электрические поля около микросхем. И смотреть, как и где распределяются электрические токи и электрические поля в микропроцессорах, в процессорах, в нанопроцессорах.

В.Т.: – У меня вопрос вот какой. Знаете, когда мы говорим о наноструктурах мы имеем в виду или вот эти концентрические структуры, или спиральные какие-то регулярные? Чем больше регулярность, тем больше, как правило, она нас устраивает в технологических процессах. В принципе, ведь я имею внутреннее утверждение, хотя я его никогда не обсуждал. Вот какое утверждение: что в, принципе, ничего другого как сама живая природа не может создать конструкцию, где каждый атом, т.е. почти вся таблица Менделеева, с точностью до координат атома, каждый раз воспроизводится. Сможем ли мы такое делать или это не нужно делать нам технологам-физикам и технологам-химикам? А нужно использовать подходы живой природы с тем, чтобы делать вот такие вещи. И второй вопрос сразу же. Биология построена на самоорганизации, наноструктуры самоорганизовываются в сложные надмолекулярные структуры, в клетки, клетки в органы, органы в организмы, те в сообщества и т.д. Т.е. есть иерархия, которая самореализуется. Можем ли мы рассчитывать, что в твердотельной технологии, а, в основном, это о твердотельной идет речь, мы когда-нибудь придем к тому, что мы сможем так вот ловко упаковывать разные атомы?

И.Я.: – Всеволод Александрович, мне кажется, что природа – она абсолютно гениальная в смысле создания наноструктур. И это великий нанотехнолог. И мы должны учиться. И современная физика пытается сейчас понять, как устроена на молекулярном уровне, на атомном уровне, живая природа. И идет большой прогресс в этом направлении. Там не будут открыты новые физические законы, но в этих сложных системах взаимосвязь молекул и атомов, я думаю, что создаст новое понимание и новые технологии. Если говорить о кремниевой технологии, то на самом деле это такая вот молчаливая область реальной нанотехнологии. И рынок ее, по самым скромным оценкам, это 320 миллиардов долларов ежегодно. Т.е. она работает, она находится рядом с нами и с каждым. Если я вынимаю мобильный телефон, там находится микрочип, который сделан по технологии или 90 нанометров, или 45 нанометров. Мы все работаем на компьютерах, а процессор, современный процессор, сделан по технологии 45 нанометров. Это реальная технология. И кто владеет этой технологией, тот истинно великая держава. И в этом плане, надо отдать должное Америке, надо отдать должное Японии и должное Корее – это три страны, которые держат рынок микроэлектроники, который традиционно называется микроэлектроника. Но на самом деле вся современная микроэлектроника – это есть наноэлектроника, это есть реальные нанотехнологии.

В.Т.: – Где, вам кажется, прорывные направления, вот смычки нанотехнологий и биотехнологий в устремленном человечестве? Где бы видели интересные моменты: фундаментальные и прикладные?

И.Я.: – Я думаю, самое главное – это создание биосенсоров. Если современные устройства, они работают лучше, чем человеческий глаз. Если есть устройства, которые слышат лучше, чем человеческое ухо. То, практически, нет устройств, которые бы моделировали нос и язык. Мы не умеем определять молекулы по запаху, мы не умеем… я имею в виду, приборы не умеют определять.

В.Т.: – В техническом мире да.

И.Я.: – И в этом основная проблема. Здесь у человека абсолютное превосходство.

В.Т.: – Пока.

И.Я.: – Пока.

В.Т.: – Конечно, нас никто не заменит в нашем мышлении, но вот я что хочу сказать, ведь диагностика в первую очередь нужна для медицины и для биотехнологий. И, по-моему, совершенно беспредельное впереди поле деятельности для человека разумного – это диагностика самого себя, самого человека и окружающей живой среды. Оперативная диагностика заболеваний, молекулярных заболеваний, инфекций, вирусных инфекций. Вот сейчас, как вы думаете, нанотехнологии входят в это или нет?

И.Я.: – Вот мы работаем с группой академика Атабекова Иосифа Григорьевича. Они конструируют на основе вирусов. О вреде вирусов мы все прекрасно знаем, сейчас у всех на слуху вирус h2N1 – вирус свиного гриппа. Есть много вирусов, от которых мы страдаем. Там много пока еще не решенных вопросов. Вот что заставляет вирусную частицу раздеваться? Какой механизм запускается для того, чтобы сбросилась белковая оболочка? Из вируса вышла РНК или ДНК, она эксплуатировала весь генетический механизм клетки, наработала миллионы копий, как РНК, так и белков, и собрала новые частицы, которые бросаются во все стороны и поражают организм. Вот этот природный механизм можно использовать в полезных целях. Что нужно сделать? Нужно вирусную РНК перенести на искусственно созданную. И, например, делать целенаправленную доставку для, возможно, лечения.

В.Т.: – Т.е. клетка начнет синтезировать себе лекарство.

И.Я.: – Совершенно точно. Но мы должны это делать аккуратно. И в этот момент мы должны измерить и размер полученной частицы и массу ее для того, чтобы убедиться, что да, мы собрали правильно. У нас сборка прошла нужным образом. Обязательно нужно контролировать. У нас возникали вопросы. Мы меряли вирус табачной мозаики с модифицированной белковой оболочкой.

В.Т.: – Это вот такая похожая спираль, кстати.

И.Я.: – Очень похожая спираль. Там 2200 белковых субединиц.

В.Т.: – Намотанных вот так.

И.Я.: – И спираль РНК. Вот когда мы вставляем другую РНК, оказывается, что размер другой. Исходная частица 18 нанометров, с модифицированным белком – 20 нанометров.

В.Т.: – И вы это видите на экране?

И.Я.: – И мы это видим на экране монитора, наблюдая вот этот граммофонный проигрыватель, который атомно-силовой микроскоп.

В.Т.: – Это изумительный пример.

И.Я.: – И вопрос метрологии. Мы точно меряем 18 нанометров или нет? Или это, может быть, есть погрешность? Поэтому мы должны поставить нашу таблетку в один нанометр, проверить, что у нас микроскоп, действительно, видит правильно один нанометр, и после этого сказать, что вирусные частицы, вирус табачной мозаики – 18 правильных нанометров. И поэтому при конструировании вот таких вот искусственных вирусных частиц, во главу угла снова становится метрология: правильное измерение наномассы и наноразмеров.

В.Т.: – Игорь Владимирович, наша беседа произвела на меня очень сильное впечатление. И если б я был несколько помоложе и выбирал стезю своей дальнейшей жизни, я б, наверное, пошел в эту область науки и технологий. Куда я пошел бы? Где можно научиться тому, что можно измерить один атом?

И.Я.: – Вот сейчас мы вышли с проектов в Государственную корпорацию РОСНАНО. И в этом мы видим, как можно развивать практическую нанотехнологию. Идея очень простая: вблизи Московского университета мы создаем дизайн-центр, в который берем около 100 молодых ребят.

В.Т.: – Студентов, школьников… Я не понял, каких молодых ребят?

И.Я.: – Они могут быть и студенты, и школьники, и закончившие, и аспиранты, которые начинают, как в Библии – «Сначала было слово», делать разработки. А производственный центр находится за Московской областью. Для чего мы это делаем? Для создания новых поколений атомно-силовых микроскопов, сканирующих зондовых микроскопов и атомных весов. Я пришел, мальчик на третьем курсе написал программу для зондового микроскопа. Через два года ее стали продавать по всему миру. Продают и в Америке, и во Франции, и в Англии, Италии, Японии, Южной Корее. Почему? Потому, что она более эффективная, меньше надо кликать мышкой, лучше цветовые палитры, лучше фильтры. А в микроскопии так получается: один час меряете на микроскопе, а потом обрабатываете данные. И пользователи иностранных микроскопов, они выбирают продукт, который написал студент Московского государственного университета физического факультета Александр Филонов.

В.Т.: – Непредвзятая мысль молодых людей нужна.

И.Я.: – Она нужна. И вся тяжесть сейчас лежит не в металлообработке. Мы можем купить, вот мы купили обрабатывающий фрезерный станок. Он может выпускать один микроскоп в день. Но для того, чтобы он выпускал один микроскоп в день, мы на компьютере должны создать совершенную трехмерную модель этого микроскопа. Создать всю технологическую карту: где и как обрабатывать, какой инструмент сделать. И получается, что вот интеллектуальная настройка, она гораздо более трудоемкая и более сложная. Нужно месяц потратить для того, чтобы станок потом в течение одного дня сделал этот микроскоп. И я думаю, что это общее свойство нанотехнологии. Нужно серьезно и очень долго думать. И мы действительно возвращаемся, наверное, к случаю Библии: сначала было слово, сначала была идея, а после этого мы его реализуем. Например, если это вопрос про зондовые микроскопы или атомные весы на станках с программным управлением.

В.Т.: – Мне очень понравилось, что вы сказали: «И мы это реализуем». Так успехов в нашей реализации. И мы очень будем ждать молодое поколение. Произошел разрыв в отечественной науке. Сейчас мы его восполняем, потому что старшее поколение активно, но не вечно. Т.е. мы ждем молодых людей со всей страны, которые к нам придут. Вот одно из самых интересных и замечательных направлений мысли человеческой – это вот наноструктуры, нанотехнологии, инновационная политика с сохранением развития фундаментальной науки. Спасибо вам большое, Игорь Владимирович.

И.Я.: – Спасибо, Всеволод Александрович. Я вот уверен, что у нанотехнологии в России есть большие и реальные перспективы развития.

В.Т: – Спасибо.