Формула успеха физиков КФУ

Исследовательская группа сотрудников кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии Института физики КФУ получила сразу два  патента на свои изобретения.   

Несмотря на то, что области научного и практического использования патентов абсолютно разные, их объединяет одно: применение методов электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) для изучения свойств материалов и веществ. Официально запатентованы:  "Способ определения фактора насыщения электронных переходов парамагнитной подсистемы в веществе"  (автор М.Гафуров) и "Способ определения позиции примесей нитратных соединений в синтетическом гидроксиапатите" (авторы: Т. Биктагиров, М. Гафуров, Г.Мамин, С.Орлинский).

Результаты научной деятельности кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии КФУ, научно-исследовательской лаборатории радиоспектроскопии и квантовой электроники им. С.А. Альтшулера хорошо известны в мировом сообществе, благодаря активной работе на российских и международных научных площадках. Научные сотрудники инициировали уникальные татарстанские, российские и международные интердисциплинарные проекты. Результаты публикационной активности специалистов в области применения ЭПР  можно сравнить с итогами деятельности небольшого  НИИ. Только в прошлом году   опубликовано 25 статей в журналах, входящих в базы данных "Scopus" и "WоS", а с начала 2015 года уже вышло четыре научные публикации.

Лаборатория электронного парамагнитного резонанса Казанского университета по уровню технической оснащенности и квалификации специалистов не уступает ведущим мировым центрам радиоспектроскопии и  является  одной из лучших в России.

Формула успеха современных казанских ученых – в сочетании традиций и инноваций.  В 21 веке идеи казанской физической школы Е.К. Завойского- С.А. Альтшулера получили новый импульс  благодаря финансовой поддержке в рамках создания и развития Центра коллективного пользования физико-химических исследований. Часть оборудования была приобретена на средства Программы развития КФУ. 

Сегодня наши физики активно сотрудничают с химиками, биологами, медиками, нефтяниками и геологами. О деятельности научной  группы ЭПР- спектроскопии нам рассказал ее руководитель, доцент кафедры  квантовой электроники и радиоспектроскопии Сергей Орлинский:

- Кафедра развивает новые направления применения методов электронного парамагнитного резонанса  к объектам живой и неживой природы: от полимерных макромолекул и белков до наноразмерных частиц, поиска маркеров патологических изменений в тканях человека и животных.

Одно из самых важных исследований мы проводим совместно с сотрудниками МКДЦ и КГМУ. Предметом исследования являются наночастицы гидроксиапатита. Дело в том, что в организме человека это своего рода «строительный материал», он присутствует в большом количестве: из него состоят кости, зубы. Именно благодаря гидроксиапатиту на месте перелома у человека образуется костная мозоль.

 При развитии атеросклероза процесс образования  атеросклеротической бляшки начинается с наночастиц гидроксиапатита.  Мы экспериментально показали, что по мере поражения сосуда эти кристаллы растут, достигая микроразмеров.  Сама по себе бляшка не опасна до тех пор, пока она стабильна, нестабильность приводит к образованию и отрыву тромба, что часто ведет к  летальному исходу.  Нами было установлено, что гидроксиапатит может играть и положительную роль в этом процессе: его наличие на поверхности атеросклеротической бляшки способствует увеличению ее прочности, уменьшению склонности к разрыву. Но как  определить, насколько бляшка  стабильна, ведь невозможно даже малоинвазивным путем проверять все бляшки в организме человека? Значит, надо искать маркеры, индикаторы, которые смогут «сказать», стабильна ли та или иная  бляшка. Для этого необходимо, допустим, в крови пациента, измерить некий параметр, который отвечает за стабильность или нестабильность бляшек. И делать это необходимо быстро, экспресс-методом, чтобы у врачей было больше времени и шансов спасти человека. Вот недавно нами была установлена зависимость изменения спектра ЭПР бляшки от ее размера. Теперь мы можем контролировать развитие бляшки по концентрации в ней ионов марганца. Большего пока рассказывать не могу, поскольку это совсем новые результаты, и они еще не опубликованы. 

рис. 1. Применяя импульсные последовательности на сверхвысоких частотах около 9 ГГц, исследователям удалось установить взаимное расположение примесных нитратных ионов и ионов марганца в структуре наногидроксиапатита.

В Европе такие исследования проводить весьма сложно из-за более строгих законов, ограничивающих эксперименты  в медицине. А у нас есть возможность изучать атеросклероз на образцах, которые получены от человека.  

Нами ведутся  и другие исследования с использованием ЭПР-спектрометров. Например, мы изучаем возможность применения наноалмазов в медицине  для адресной  доставки лекарств в клетку. Дело в том, что сквозь мембрану клетки какой-либо протеин провести сложно, но если его «прицепить» к наноалмазу, то сделать это намного проще: он спокойно проходит сквозь оболочку и может «протащить» за собой терапевтический ген. Проведены  первые эксперименты, получены обнадеживающие результаты.   

   Широкомасштабные исследования, которые мы ведем  сегодня с  казанскими медиками и биологами, думаю, приведут нас к новым открытиям. Пока же мы в начале пути.

    В этой области исследований мы также активно сотрудничаем с учеными из МГУ,  с  факультетом новых материалов. Мы попросили коллег  синтезировать модельные объекты, чтобы иметь возможность самим «собирать» нанокристаллы с заданными размерами и примесями. Нам это нужно, чтобы изучить свойства наноматериалов и понять, чем они отличаются от микроструктур. Всю линейку этих образцов и синтезировали в МГУ, благодаря чему нами  получен ряд интересных научных результатов. На начало июня запланирована защита кандидатской диссертации «ЭПР-спектроскопия биосовместимых материалов на основе наноразмерного гидроксиапатита» аспиранта нашей кафедры Тимура Биктагирова, в ней  представлены некоторые из полученных данных.

А еще раньше, в конце мая, представит свою диссертацию  «Исследование динамики сложных углеводородных систем методами высокочастотного ЭПР» соискатель Михаил Володин. В ней тоже будут озвучен анализ интересных экспериментальных результатов только уже в совсем иной области. Работа посвящена изучению  высоковязких нефтей и битумов, в ней уточняется понимание механизмов агрегации и осаждения асфальтено-смолистых соединений в процессах добычи и переработки нефтепродуктов.  В прошлом году по этой теме у нас  совместно с нашими геологами вышла статья в журнале «Energy and Fuels» (Энергия и топливо). Мы стали  первыми из татарстанских ученых, занимающихся проблемой высоковязких нефтей и природных битумов, чью работу  опубликовал столь высокорейтинговый международный журнал.

Для того чтобы каждое из перечисленных мной  направлений успешно развивать, нужны кадры. На подготовку хорошего специалиста в нашей области надо потратить 5-6 лет,  причем это должен быть не просто выпускник факультета, нашей кафедры, а человек с оригинальным, научным складом мышления, ученый, исследователь. 

Я  считаю, что основная задача университета – готовить хороших  специалистов. И даже то, что некоторые из них уезжают работать за границу - не беда. Молодые ученые должны набираться опыта, а возвратятся они к нам или нет, в конце концов, зависит и от нас тоже, от того, какие условия работы мы сможем им здесь предложить. К счастью, в казанском университете для талантливых молодых ученых делается сейчас немало. Многие коллеги, поработав  в ведущих западных институтах, возвращаются "к родным пенатам".