Из старых записных книжек
Революционная деионизированная вода и другие, не имеющие аналогов в мире технологии. Фундаментальная наука и производство – новые формы взаимодействия. Обо всём этом и о многом другом пойдёт речь в публикуемом материале.
Интенсификация промышленного производства, с одной стороны, и рост населения с другой – приводят к появлению во всем мире отрицательных факторов во взаимодействии человека и среды. Происходящие в природе негативные изменения накапливаются и через какое-то время проявляются в тех или иных формах – в загрязнении почвы, водной среды, атмосферы. Учёные многих стран ведут поиски путей научного описания сложнейших связей между жизнедеятельностью человека, сложной инфраструктурой производства и окружающей природой. Одним из важнейших аспектов этого подхода является разработка методов мониторинга окружающей среды – воды, атмосферы, земли. Этими проблемами занимаются многие исследовательские центры мира. Особую активность проявляют международные ядерные центры, в которых сосредоточен самый совершенный инструментарий, и, что не менее важно, у этих учёных высоко развито чувство ответственности за результаты своей деятельности.
Достижения фундаментальных исследований Объединённого института ядерных исследований – ОИЯИ (Дубна, Московская область, Россия) нередко находят применение в различных областях человеческой деятельности, напрямую не связанных с наукой. Советский академик Георгий Флеров, который много внимания уделял развитию прикладных областей ядерной физики, прекрасно понимал, что деление науки на фундаментальную и прикладную достаточно условно. Он предпочитал эпитеты средневековых философов-энциклопедистов, которые подразделяли науки на светоносные и плодоносные. И один из примеров плодотворного использования результатов фундаментальных исследований в практике – эффективная деятельность Научного центра прикладных исследований (НЦеПИ) – научно-хозрасчетного подразделения ОИЯИ, которым почти полтора десятка лет руководит Валентин Николаевич Самойлов.
Это ему, энциклопедически образованному учёному, которого по праву называют Ломоносовым ХХI века, принадлежат крылатые слова: «Мы считаем себя богатыми, потому что владеем технологиями третьего тысячелетия, которые когда-нибудь будут востребованы обществом».
25 апреля 2005 года директор НЦеПИ ОИЯИ В.Н. Самойлов отмечает свой юбилей – 60-летие со дня рождения (он родился 25 апреля 1945 года в городе Тамбове, СССР). В 1969 году сразу же после окончания Московского лесотехнического института по специальности «Математические машины» приехал в Дубну, пришёл работать в Объединённый институт ядерных исследований и стал заниматься научной работой по развитию информационно-вычислительного центра ОИЯИ. В то время необходимо было наделить первые вычислительные машины управленческими функциями и обеспечить связь между компьютерами. Кроме этого, Валентин Николаевич участвовал в работах по обеспечению совместимости носителей информации из разных зарубежных научных центров и вычислительной техники института.
Большой опыт В.Н. Самойлов приобрёл за три года работы в Ливии. В 1985 году он и ещё один его коллега, прошедшие весьма серьёзный отбор, участвовали в подготовке и вводу в эксплуатацию Национального центра атомных исследований. Соглашение предусматривало не только пуск в строй многочисленных физических установок, но и обучение персонала. Однако в период этой работы создалась ситуация охлаждения взаимоотношений СССР и Ливии. Многие иностранные специалисты были высланы из страны. Среди тех, кого даже попросили остаться, были Валентин Николаевич и его сотрудники. Таким образом, на посту директора центра от Советского Союза он смог довести все работы до логического завершения.
Второй период активной научной деятельности у В.Н. Самойлова начался после организации НЦеПИ, который он и возглавил.
В.Н. Самойлов – доктор философских и кандидат технических наук, профессор МИРЭА и Международного университета фундаментального обучения, почётный профессор Международного теологического университета США, автор двух монографий, соавтор пяти научных книг и более 300 научных публикаций. В.Н. Самойлов – ветеран атомной промышленности. И к тому же имеет звание мастера спорта по трем видам.
Валентин Николаевич женат, имеет две дочери, три внучки и одного внука.
В течение последних десяти лет под непосредственным руководством и личном участии В.Н. Самойлова разработаны, запатентованы и внедрены более 30 компьютерных программ и 20 изобретений и патентов Российской Федерации в различных областях физики, информационных технологий, нанотехнологий, электроники и медицины.
Среди них такие, как:
– новый вид лазерного излучения и дипольный нанолазер на его основе;
– технология утилизации боевых отравляющих веществ и вредных химических соединений;
– новое вещество для управления электромагнитными и оптическими полями – гетеророэлектрик;
– способ и устройство измерения пространственно-частотных характеристик жидкостей;
– сверхпористое кварцевое стекло, по прочности мало отличающееся от обычного;
– технология выращивания синтетических опалов, не отличающихся по своим физическим и химическим свойствам от природных;
– технологии и устройства, способствующие существенному увеличению урожайности, одновременной и ускоренной созреваемости различных сельскохозяйственных культур.
По заданию Министерства обороны РФ В.Н. Самойлов много лет руководил крупными проектами по созданию аппаратно-программных комплексов управления сложными объектами. В сотрудничестве с рядом национальных лабораторий США более десяти лет он во главе проекта модернизации физической защиты, учёта и контроля ядерных материалов ОИЯИ. В настоящее время ведёт ряд научных международных проектов с физическими центрами Японии, Швейцарии, Великобритании и США.
Идея организации Центра для развития прикладных исследований, создания дополнительных рабочих мест и притока средств в ОИЯИ возникла в дирекции института в конце 80-х годов ХХ века. Но сначала был создан Центр физических исследований и информатики (ЦЕФИ), учредителями которого стали ОИЯИ и АН СССР. А в 1993 году, в силу ряда обстоятельств, ЦЕФИ преобразовали в НЦеПИ. Большую помощь в его становлении и развитии оказали директор института В.Г. Кадышевский и его заместитель А.Н. Сисакян, осуществлявший научное руководство. Сотрудники НЦеПИ до сих пор ощущают постоянное внимание и поддержку администрации ОИЯИ.
НЦеПИ состоит из трёх научных отделов и четырёх самостоятельных секторов. Центр контактирует с научными и производственными объединениями российских министерств атомной промышленности, науки и технологий, образования, обороны, внутренних дел, сельского хозяйства, экологии, культуры. Международное сотрудничество осуществляется с научными центрами США, Германии и ЦЕРН (Швейцария).
НЦеПИ участвует в международных программах и проектах «DOE-Минатом», «DOE-ГАН» и международных проектах ОИЯИ (CMS, HERA-B, COMPASS, NICE). По основным направлениям исследований сотрудники Центра выполнили более 100 научно-технических отчётов, сделали 50 научных публикаций и докладов на международных конференциях, провели у себя более 80 семинаров, встреч и презентаций международного и российского уровней.
Теоретические и экспериментальные исследования, разработка высоких технологий ведутся параллельно. Все внутренние резервы направлены на научно-исследовательскую деятельность, которая составляет 50 процентов от объёма всех выполняемых работ.
В одном из помещений, занимаемых НЦеПИ, невольно обращаешь внимание на установку, напоминающую замысловатые приборы древних алхимиков. Именно здесь в процессе перегонки воды по стеклянным трубкам достигается такая степень её очистки, что многие современные учёные даже не могут и мечтать об этом. Анализы, сделанные в Академии тонкой химической технологии (Москва, Россия), показали практически полное отсутствие всех компонентов, растворённых обычно в воде даже очень высокой степени очистки. Эта деионизированная вода имеет поистине революционное значение для многих областей деятельности человека на земле (более подробно об этом – чуть позже).
В НЦеПИ подобралась слаженная команда единомышленников, у каждого из которых свой участок работы. Здесь сосредоточен большой научный потенциал: 72 доктора наук и 33 кандидата наук. А это – 40 процентов общего состава сотрудников.
Генератор идей – доктор физико-математических наук Олег Займидорога, прокладывающий концептуальные пути поиска. Он успешно трудится над созданием собственной аналитической базы и над изготовлением масс-спектрометра для исследования суперочищенной воды. Доктор химических наук, радиохимик с большим опытом исследования различных жидких сред Юрий Норсеев использует свои знания и опыт в ультрафильтрации, совершенствовании методов обратного осмоса. А заместитель директора НЦеПИ Александр Чекер – топ-менеджер и специалист по автоматизированным системам управления – осуществляет внешние контакты и с потенциальными потребителями, и с организациями, проводящими анализы. Среди других учёных следует отметить Сергея Филина, Александра Пузынина. Технология производства синтетических опалов, предложенная ими, не имеет аналогов в мире, а качество продукции поражает не только французских, немецких, американских специалистов, но и австралийцев – признанных экспортеров натуральных 
опалов. В Центре также работает немало достойных инженеров – практиков и теоретиков.
Так, за счёт чего же такой всё же немногочисленный коллектив решает задачи, которые порой не под силу даже целым Научно-исследовательским институтам (НИИ)?
На эти и другие вопросы отвечает директор НЦеПИ ОИЯИ В.Н. Самойлов.
«Высокая эффективность работы основывается на оптимальной внутренней его организации: контрактной системой труда, используемой в различных формах, не привязанной к жестким ставкам оплаты, привлечении необходимых специалистов. За плечами большинства наших сотрудников – школа выполнения заказов в системе Министерста обороны. Для повышения надежности работ по проекту выполняется параллельно двумя сотрудниками или коллективами. В результате Центр и поныне чётко выдерживает сроки исполнения любого проекта или соглашения.
В кадровой политике мы всегда стараемся опираться на сотрудников ОИЯИ, но иногда обстоятельства складываются так, что часть заказа разрабатываются в других городах России, и тогда его сложнее состыковать в единое целое. По взаимному соглашению НЦеПИ совместно с ЦЕРН осуществляет поддержку его информационной сети – крупной и постоянно развивающейся структуры, единственный аналог которой имеется в США.
ЦЕРН (CERN – Conseil European de la Recherche Nucleaire – Европейская организация по ядерным исследованиям). Крупнейший экспериментальный центр по физике элементарных частиц образован 29 сентября 1954 года и расположен вблизи Женевы на территории Швейцарии и Франции, у подножия горного хребта Юра, в долине Женевского озера. Идея создания ЦЕРНа принадлежит французскому физику, нобелевскому лауреату Луи де Бройлю, который подчёркивал: «Это… укрепит связи между учёными разных стран, расширит сотрудничество, упростит распространение результатов научных работ и информации в целом… явится символом объединения интеллектуальных сил Европы».
ОИЯИ (JINR – Joint Institute for Nuclear Research – Объединённый институт ядерных исследований). История создания научного центра в Дубне берёт своё начало с середины прошлого века. В 1947 году по инициативе группы учёных во главе с академиком И.В. Курчатовым в 120 километрах от Москвы началось строительство крупнейшего по тем временам ускорителя – синхроциклотрона. С 1950 года здесь были развернуты работы по созданию синхрофазатрона. В 1956-м на базе первых лабораторий был создан Международный научный центр, а затем – и ОИЯИ.
Членами ЦЕРН являются 20 стран. В статусе наблюдателя – 6 стран, включая Россию и США, а также Европейская Комиссия и ЮНЕСКО.
Руководящий совет организации состоит из представителей стран-участниц (по два от каждой): один представляет правительство, другой – научное сообщество. Таким образом, совет имеет возможность соотносить пожелания учёных с финансовыми возможностями государств.
Членами ОИЯИ являются 18 государств. Соглашения об ассоциированном членстве заключены с Германией, Венгрией, Италией.
Перспективные теоретические исследования, проводимые НЦеПИ ОИЯИ, посвящены разработке базовых основ (или граничных условий функционирования) новых электронных, магнитных, оптических и иных устройств, построенных на основе технологий третьего тысячелетия – использовании нового вещества, – гетероэлектрика (далее – ГЭ).
Понятие «гетероэлектрик» впервые введено в обращение и запатентовано НЦеПИ ОИЯИ. ГЭ состоит из носителя и наночастиц материала, отличного от материала носителя. Носитель – это гетерогенная среда или система различных частей, каждая из которых гомогенна и различна по своим физическим и химическим свойствам – нечто похожее на «котёл», где всего понемногу. Далее в эту среду («котёл») вносятся наночастицы (1×10-9 м) различных материалов (своего рода «затравка») для получения ГЭ. Воздействие на ГЭ электромагнитными полями (ЭМП) вызывает самофазирующиеся когерентные (согласованные во времени) колебания электронов наночастиц, что, в свою очередь, приводит к интенсивному взаимодействию всего ГЭ с ЭМП, то, что мы назвали «суперкогерентностью». Материалы, полученные таким образом, обладают уникальными, навязанными им свойствами. Данный процесс может быть сравним с профессионально обученным подразделением солдат, действующих по команде вместе, синхронно.
Фотоэлементы, применяемые в «солнечных батареях» и изготовленные по технологии гетероэлектрики, могут достигать КПД до 90%. Кроме того, они обладают ещё и уникальной способностью работать ночью. Сегодня в мире аналогичные показатели КПД составляют всего 12-18%. В США планируется достичь уровня КПД в 34% только через два года! Стёкла, изготовленные по технологии гетероэлектрики, пропускают свет в любом заданном спектральном интервале или вообще не пропускают свет вне данного интервала (идеальные различные фильтры).
Предлагаемый нами электрический аккумулятор на ёмкостях с гетероэлектриком обладает энергоёмкостью, достаточной для использования вместо существующих элементов (батареек). Таким образом, можно говорить о начале новой эры в технической истории развития человечества – эры экологически чистых «солнечных батарей», которая идет на смену «электричеству» в стандартном его понимании.
Мы со всей ответственностью заявляем, что грядет новая техническая революция в физике, химии, электронике, оптике и сопредельных с ними отраслях народного хозяйства. И мне очень приятно, что данная эволюционная страница принципиально нового развития технологии открывается учёными России, в том числе и НЦеПИ. Физики и математики НЦеПИ разрабатывают модели сложных систем и создают программное обеспечение для ряда экспериментов. В настоящий момент можно говорить, в частности, о подготовке установки для измерения пространственной анизотропии диэлектрической проницаемости воды и об оптикоэлектронной системе измерения пространственно-частотных характеристик кластерной структуры воды. Они дадут нам возможность формировать и измерять пространственно-частотные характеристики кластерной структуры воды; определять структурные аналогии «информированной» воды и источники сигналов программирования; изучать пределы структурной устойчивости воды при воздействии внешних факторов; исследовать возможности повышения структурной устойчивости воды в режиме регенеративного управления пространственно-частотными характеристиками водных кластеров, способы формирования диаграммы направленности водных излучателей, и т.д., и т.п.».
Сегодня много пишут о наночастицах и нанотехнологиях…
«Нанотехнологии имеют дело с отдельными объектами или группами объектов (нанообъектов) размером порядка нанометров (1 нанометр – одна миллиардная доля метра). Нанообъекты могут быть достаточно сложными (молекулы-наномоторы, молекулы-фулерены) и простыми (наночастицы металла), имеющие физические и химические свойства, отличные от свойств более крупных объектов из того же материала, а также от свойств отдельных атомов. Скажем, температура плавления частиц золота размером 5-10 нм на сотни градусов ниже температуры плавления куска золота объёмом один кубический сантиметр. Наночастицы проявляют сильные каталитические свойства. Оказывается, что группы наночастиц могут обладать новыми качествами из-за их взаимодействия друг с другом, что имеет место в гетероэлектрике. Если размер частицы в гетероэлектрике много меньше длины волны ЭМП (то есть несколько десятков нм для видимого света), то наночастица, с точки зрения взаимодействия с ЭМП, – обычный маятник. Приложенное ЭМП возбуждает колебания таких наночастиц-маятников, взаимодействуя с их электронами. При этом каждая наночастица излучает собственное, слабое, ЭМП и, таким образом, взаимодействует с соседями, заставляя их электроны колебаться синхронно со своими. При этом резко возрастает энергия системы из N наночастиц, она оказывается N2. Этим и обусловлены особые свойства гетероэлектриков в ЭМП. Тип материала наночастиц и их концентрация сильно влияют на теплофизические и магнитные свойства. При малых концентрациях значительно возрастают магнитные и парамагнитные свойства, и наночастицы вещества проявляют уникальное свойство – «самосборку кристаллической структуры».
Нанотехнологии используются как в военной, так и в гражданской областях. Появились новые нанопродукты. Например, созданные в США устойчивые к царапинам очки, наполненные гелем кеды. Американцы надеются заменить обогащёнными образцами пластмасс металлические корпуса баллистических ракет и ракет, предназначенных для запуска спутников. Но кеды, наполненные гелем, уже вчерашний день! Я не удивлюсь, если, используя предлагаемые нами технологии, завтра возникнет идея сделать на базе ГЭ кеды или кроссовки, аккумулирующие энергию передвижения и отдающие её при соприкосновении с твердой поверхностью, что будет выражаться в облегчении движения, условно – «ходьба, как по Луне». Если возникнет необходимость, то эта задача для ГЭ применительно к любой обуви может быть выполнена в кратчайшие сроки.
Теперь о новых материалах. Огромные усилия были направлены на создание технологии производства сверхчистых (степень очистки 10-7 и более) редкоземельных материалов (РЗМ), которые в таком виде обладают новыми неизученными свойствами. До этого времени достичь подобной чистоты было невозможно, поскольку попадавшие в металл примеси, естественно, снижали точность и чистоту эксперимента. При внесении сверхчистых РЗМ в ГЭ могут, при определенных условиях, возникать сверхжаропрочные и сверхлёгкие металлы, не требующие тепловой защиты, которые можно использовать, например, для корпуса ракет и самолётов».
Судя по всему, материалы с изначально заданными оптическими, электрическими или магнитными свойствами, разработанные в НЦеПИ, могут применяться повсюду…
«Эти свойства непосредственно связаны с положением и амплитудой так называемого плазменного резонанса колебаний электронов наночастиц в среде. Они ещё зависят от формы, размера, материала и концентрации наночастиц в среде. Вместе с тем, свойства материалов обусловлены когерентным коллективным взаимодействием наночастиц между собой, что в итоге приводит к усилению взаимодействия частиц с ЭМП. Например, помещая металлические наночастицы различных форм в диэлектрическую матрицу, можно создать фильтр для ЭМП определённого частотного диапазона. Присутствие металлических наночастиц в два и более раз повышает эффективность генерации фототока в фотоэлементах и, соответственно, в «солнечных батареях». Использование гетероэлектриков позволяет создавать миниатюрные и эффективные ёмкости ≈ 0,1 фарады (в объёме нескольких кубических сантиметров), что лишь в несколько раз меньше общего электрического заряда планеты Земля. Такие высокоэффективные ёмкости имеет смысл использовать в качестве компактных и мощных накопителей к различным видам источников электроэнергии.
В нашем Центре также создаются высокопористые кварцевые стёкла. Эти материалы обладают высочайшей химической чистотой, громадной (тысячекратно превышающей внешнюю) внутренней поверхностью, а также огромной прочностью, несмотря на малую объёмную долю твердого «каркаса» и внушительный (60-80%) объём пор. Материал состоит из наношариков (диаметром 5 нм), которые соединяются в наноокружность (диаметром 50 нм) – пример «кристаллической самосборки». Далее наноокружности соединяются мостиком из наношариков друг с другом. Таким образом, и образуется высокопористое (диаметром около 50 нм) конструкция внутреннего «каркаса».
Материал производится в виде тонких пластин (толщиной до 1 см) и цилиндров (диаметром до 2 см). Благодаря специальному упрочнению он без разрушения впитывает различные жидкости (в том числе воду) и высыхает без образования трещин; может длительно нагреваться при температуре до 750°С без усадки и структурных изменений».
И где может применяться данный материал?
«В следующих областях: в биологии (в качестве подложек для УФ-микроскопии); в лазерной технике (как вместитель активной среды в жидкостных лазерах); для разделения изотопов и смесей газов; в качестве носителя катализаторов; для синтеза высокогомогенных стекол с особыми свойствами. А ещё мы создали технологию производства синтетического благородного опала – ценного ювелирного минерала, который нисколько не отличается по составу и физическим свойствам от своего природного аналога, что подтверждено независимым исследованием, проведённым немецким Геммологическим обществом. В частности, впервые удалось создать синтетический опал с содержанием воды, характерным для натурального материала. Этот факт подтверждают инфракрасные спектры образцов – они полностью совпадают со спектрами природного минерала. В природе натуральный опал добывается в виде определенной породы с фосфоресцирующими вкраплениями этого минерала. В составе сырья – огромное количество пустой породы и молодых «несозревших» опалов; нередки трещины, сколы, влияющие на конечные размеры обработанного опала и его качество. Разработанная технология позволяет создать искусственный самоцвет в виде крупных бездефектных пластин, что существенно упрощает последующую обработку и даёт возможность получения любых его форм и размеров».
Проводятся ли в НЦеПИ исследования для нужд медицины?
«Безусловно. Мы рассматриваем возможность применения наночастиц для избирательного воздействия на области органов тела – вплоть до отдельных групп клеток. Для этого наночастица покрывается слоем белка, который имеет свойство «приклеиваться» к заданному участку органа. Затем наночастица обрабатывается инфракрасным излучением так, что происходит возбуждение колебаний её электронов – плазменный резонанс. Энергия этих колебаний преобразуется в тепловую или акустическую энергию и воздействует на область органа, к которой «прикреплена» наночастица с целью включения механизма её саморегуляции и, соответственно, самоизлечения.
Наши исследования по созданию деионизованной воды (де-воды) с различным содержанием тяжёлой воды, изотопов водорода и кислорода позволили использовать её в биохимических работах (на клеточном материале) Института хирургии имени Вишневского в Москве. В результате были выявлены сильные иммуномодулирующие свойства де-воды, позволяющие восстанавливать однонитевые разрывы ДНК. При применении такой воды происходит усиление иммунного ответа на инфекцию. Данные свидетельствуют также о том, что де-вода практически прекращает передачу АТФ-молекулой сигнала роста клеткам злокачественного образования. Вскоре начнется массовое производство активного физраствора на основе де-воды.
Могу с уверенностью сказать, что исследования сотрудников НЦеПИ вносят немалый вклад в борьбу ученых всего мира с онкологическими заболеваниями.
Наряду с этим мы предлагаем принципиально новый вид лазера – нанолазер, состоящий из наночастицы и так называемой квантовой точки, который меньше, проще и эффективнее, чем лазер на нанотрубке. Наши нанолазеры легко объединяются в группы, которые создают мощное суперкогерентное излучение. Нанолазер излучает короткие импульсы, что позволяет исследовать химические и биологические реакции «изнутри», помещая его в место проведения реакции. Нанолазеры также могут применяться и для обработки малых объектов, в том числе в лазерной хирургии, и для детектирования слабых сигналов, и в качестве миниатюрного источника когерентного излучения в системах телекоммуникаций и оптических сетях».
Какие ещё уникальные исследования проводятся в НЦеПи?
«Не так давно в Цюрихе (Швейцария) на ускорителе PSI сотрудники нашего Центра начали эксперименты по изучению влияния гравитационного потенциала на время жизни элементарных частиц. Очень сложное на первый взгляд название скрывает ответ на серьёзный философский вопрос о влиянии «макромира» на «микромир». Начатые эксперименты подтверждают эту возможность».
Можно ли подсчитать, каков экономический эффект применения на практике исследований НЦеПИ?
«Исследования авторов серии патентов показали, что применение ГЭ с новыми свойствами, в основе которых лежит механизм суперкогерентности, является универсальным методом решения самых разнообразных прикладных задач по управлению электромагнитным полем.
Сегодня коллектив авторов патентов описал 24 класса типов применения ГЭ. По нашим экспериментам, качественный скачок по большинству направлений составляет от 100 до 1000 раз. И это реальность.
Например, оптические и инфракрасные фильтры, линзы и зеркала, оптические материалы с высоким показателем преломления могут использоваться для очков, биноклей, в стёклах обычных окон для полной защиты от ультрафиолета и без ограничений доступа видимого света. Высокочастотные ёмкости, индуктивности применимы в электронике – миниатюризация в 10-100 раз любых электронных приборов.
Разработанная в нашей лаборатории технология получения фотонных кристаллов обещает уникальные сферы применения в оптической электронике, лазерной технике и телевидении, открывает новые возможности в голографии.
С помощью ГЭ можно создать сверхминиатюрные генераторы когерентного ЭМП – нанолазеры; нелинейные и бистабильные оптические элементы и др. Повышение действенности преобразования энергии ЭМП в электрическую энергию решает задачу создания высокоэффективных фотокатодов, фотоэлементов и «солнечных батарей».
У разработанной нашими учёными «звёздной батареи», демонстрационный образец которой не так давно был представлен нами как российским, так и иностранным специалистам, её основной компонент ГЭФ может работать и в темноте, и при облачности. Её эффективность в видимом свете – 54%, что уже является мировым рекордом и в инфракрасном спектре – 31%, а это опять-таки выше, чем у современных «солнечных батарей». Фототок ГЭФ в четыре раза больше, а масса полупроводникового вещества на ватт энергии в 1000 раз меньше, чем у фотоэлементов существующих «солнечных батарей». Таким образом, себестоимость гетероэлектрического фотоэлемента значительно ниже тех фотоэлементов, которые используются сегодня.
Конструирование принципиально новых устройств обработки информации – квантовых логических ячеек, оптических логических блоков – позволяет создать на основе технологии ГЭ квантовые компьютеры, использующие вместо электрического сигнала световой импульс. Быстродействие компьютеров при данных технологиях практически не будет иметь ограничений, и может возрасти в несколько тысяч раз.
Исследуются возможности создания логической ячейки квантового компьютера на основе квантовой интерференции с использованием наночастиц и квантовых точек. Готовится к патентованию логическая квантовая ячейка на основе технологии ГЭ. Это будет равносильно открытию транзистора.
Повышение эффективности «солнечных батарей» на гетероэлектриках, о чем мы уже говорили, открывает новые возможности в электроэнергетике солнца с существенным (в разы) снижением стоимости за кВт/час. Реализация в индустрии России этих новых систем позволила бы модернизировать современную промышленность и создать устройства, приборы и материалы, рекордные по своим параметрам, что привело бы к многоплановой технической революции и резкому оживлению технологического производственного и потребительского рынков.
В нашем Центре успешно ведутся работы по созданию перспективных преобразователей, основанных на новом принципе, учитывающих запаздывание магнитных полей. С целью подтверждения теории был создан макет генератора тока. Полученные результаты позволяют с уверенностью говорить о возможности изменения общеизвестных устройств (генераторов, трансформаторов и т.д.) с целью существенного увеличения эффективности и надёжности работы и резкого снижения веса. В настоящее время закончена конструкция электрического генератора тока расчётной мощностью 18 кВт, размерами 400 х 400 х 300 мм и весом до трёх килограммов.
В связи с тем, что в наше неспокойное время, когда террористические акты уносят человеческие жизни и разрушают экономику, российские учёные-ядерщики не могут оставаться в стороне. Мы считаем, что наша техника вполне может быть адаптирована к данной области. Например, генератор частотой несколько гигагерц на основе сегнетоэлектрика, произведённого по технологии ГЭ, можно использовать для дистанционного уничтожения взрывных устройств. Данный генератор настраивается частотой и амплитудой сигнала на материал (формулу) взрывчатого вещества.
Это всего лишь небольшая часть принципиальных открытий в этой области и спектра возможного их применения. Следует отметить, что гетероэлектрики обладают рядом новых свойств и применений, которые ещё неизвестны, как в случае с лазером, находящем самое разнообразное применение на протяжении всего периода его развития.
К сожалению, государство пока не выступает в роли заказчика инновационных исследований, приборов, материалов. Хотя недавно о своем намерении участвовать в создании высокоэффективных источников энергии, дипольного нанолазера и нового типа электроники интегральных схем заявили предприятия Минпромнауки.
Так что, экономический эффект простому подсчету не поддается».
Существуют ли проблемы адаптации новых технологий?
«Да. Чтобы адаптировать новые нанотехнологии, необходимо вкладывать средства в создание прототипов предложенных устройств и разработку методов создания наночастиц разных форм, размеров, гомогенности их распределения и типов веществ. Всё это требует огромных средств, которых иногда нет даже у отдельно взятых государств. Нужна разумная кооперация.
В связи с разработкой фотонных кристаллов на базе матриц синтетического опала, обладающих уникальными характеристиками для оптической электроники будущего, во многих исследовательских центрах мира ведутся интенсивные работы по изучению их свойств и созданию оптических приборов нового поколения на основе таких материалов. НЦеПИ ОИЯИ наладил сотрудничество в данной области с Центром оптоэлектроники и оптических коммуникаций Университета штата Северная Каролина (США).
Совместно с Санкт-Петербургским институтом физики разработан рентгено-флюоресцентный спектрометр для определения степени чистоты редкоземельных элементов, таких, как гольмий, лютеций.
В НЦеПИ ОИЯИ впервые в мире были созданы трековые мембраны, которые стали основой фильтров для очистки жидкостей, газов от разных примесей.
Во время лабораторных испытаний прототипа атомно-эмиссионного спектрометра для анализа примесей в воде, а также различных фильтров получены результаты, свидетельствующие о высоких абсорбционных свойствах трековых фильтров.
Подобный прибор разработать и изготовить в кратчайшие сроки без реального сотрудничества России и Белоруссии было бы нереально. Такие деловые отношения стали возможны только благодаря помощи дирекции ОИЯИ и полномочного представителя Республики Беларусь в ОИЯИ академика А.И. Лесниковича.
Мы также продолжаем активно сотрудничать с минской фирмой «Солар ТИИ», которая специализируется на разработке и изготовлении спектрометров, монохроматоров, детектирующих систем. Основная задача, поставленная перед коллективом, – от макетных исследований перейти к созданию конкурентоспособного прибора – уникального спектрографа, позволяющего за считанные доли секунды измерять эмиссионный спектр для всех длин волн.
Проведенные испытания показали, что достигнутые параметры по чувствительности основных элементов – Mg, Pb, Li, Sr, Zn, Cu, Fe – не уступают западным образцам. Да к тому же он меньше тратить энергии (300 Вт вместо 1500 Вт), его вес может быть доведен до 50-60 килограммов. И стоит он в 2-2,5 раза дешевле. Мобильный вариант прибора незаменим для полевых и экспедиционных исследований».
Некоторое время назад сотрудники НЦеПИ ОИЯИ с рабочим визитом находились в японском городе Цукубо. Чем была обусловлена эта поездка и каковы её результаты?
«Цель поездки – проведение тестовых измерений на пучке 12 ГЭ ускорителя прототипа модуля электромагнитного калориметра в рамках интенсивно разрабатываемого в Японии и странах Юго-Восточной Азии проекта линейного электрон-позитронного коллайдера и детектора для него (GLC). Идее этого проекта уже больше десяти лет. За это время создан целый ряд рабочих групп и проведен огромный объём научно-исследовательских работ как по коллайдеру, так и разработке систем детектора.
С одной из таких групп, занимавшейся разработкой калориметра для детектора, специалисты из ОИЯИ познакомились во время своей поездки в Японию в сентябре 2002 года. Тогда в ходе встреч и дискуссий обозначились возможные направления будущей совместной деятельности. Перед специалистами группы стояла задача разработки и создания дизайна модуля, обеспечивающего определенное (порядка 15%) энергетическое разрешение, высокую гранулярность и однородность в направлении, перпендикулярном траектории влетающей частицы. Японские коллеги тогда предложили сотрудникам ОИЯИ принять участие в дальнейших исследованиях.
В июле 2003 года был подписан меморандум, зафиксировавший намерения сторон. Ответственность за реализацию положений меморандума была возложена на меня и на Д. Мжавия – начальника научно-экспериментального отдела физики промежуточных энергий, долго и плодотворно сотрудничающего с рядом зарубежных научных центров в области калориметрии.
После предварительных тестов стало ясно, что число фотоэлектронов на одну пластину от частиц, называемых MIP (Minimal Ionizing Particle), выше ожидаемого значения, что стало для всех участников стимулирующим фактором, позволяющим надеяться на хороший результат на пучке. И они не замедлили сказаться.
Итак, получены следующие характеристики модуля:
– энергетическое разрешение, усредненное по месту попадания частицы в модуль, порядка 11 процентов для энергий электронов в 1 ГэВ;
– неоднородность отклика модуля по тому же признаку укладывается в специфицированные значения, которые оказались лучше, чем у наших японских коллег. Таким образом, намечен план продолжения работ по разработке нового варианта прототипа с цепью его последующего тестирования на пучке.
Сразу после снятия модуля с пучка им заинтересовались генеральный директор КЕК профессор Е. Тоцука и директор института исследований частиц и ядра КЕК, всемирно известный физик М. Кобаяши. Они высоко оценили результаты сотрудничества и выразили благодарность дирекции ОИЯИ за понимание необходимости установления и развития научных связей между нашими двумя организациями».
Вашим НЦеПИ сделано немало запатентованных открытий… Когда, по-вашему, наступит эра научно-технической революции? И что нам следует ожидать от НТР?
«Конкретно я назвал бы дату начала НТР с того момента, как будет создан Федеральный центр и принята президентская программа. В связи с тем, что данная НТР инициируется на территории России, то может так оказаться, что это и есть исторический шанс нашей страны на возрождение. Ещё раз повторю, что мы считаем себя богатыми, потому что владеем технологиями третьего тысячелетия, которые в ближайшее время будут востребованы обществом».
НТР зависит от учёных. Так, что же это за человек такой – учёный? Каково его назначение на земле?
«В моем понимании учёный – это, прежде всего, – психолог-теолог-философ. При этом философия должна оживотворять психологию и одухотворять теологию (религию). Моя диссертация на соискание степени доктора философских наук называется так: «Преодоление психофизического дуализма в современной науке как путь к новой научной парадигме». В ней раскрывается психофизический подход к пониманию пространства – времени и природы, восприятия действия, психофизический подход к описанию эниопроцессов, связь энтропии и негоэнтропии с процессами становления и деятельности стихий, о природе и взаимоотношении потенциальной и кинетической информации. Предложена программа смены научной парадигмы.
Все фундаментальные, экспериментальные и прикладные исследования, которые ведут сотрудники НЦеПИ, осуществляются в рамках этой программы и в соответствии с поставленными мною задачами.
Основной подход к подбору руководителей направлений – правильное понимание психофизического дуализма, достаточных знаний одновременно в фундаментальных, экспериментальных и прикладных исследованиях и высокий рейтинг технологических решений.
Мною была создана методология и технология сложных развивающих процессов. В рамках теории разработана трёхуровневая модель, объединённая единым целевым комплексом и позволяющая на уровне методологии выделить задачу из проблемы, на уровне технологии корректнее сформировать постановку задачи и на уровне технологического процесса составить техническое задание. Теория опробована на ряде внедренных технологий, а также в юридических и экономических системах.
В рамках государственной программы «Здоровье нации» предложена концепция подхода в виде триады: «Здоровье нации – это Культура, Физкультура и Вода». Культура – пища для души. Физкультура – пища для тела. Вода – пища для духа.
Основная задача НЦеПИ – это исследование структурных особенностей де-воды с целью определения механизма влияния её на биологические объекты. Получен сертификат на применение в качестве спрея. Оформляются сертификаты на применение для питья, а также для инъекций и растворения лекарств.
Дe-вода способна приводить воду соматической клетки в сбалансированное состояние, что позволяет целенаправленно включить натрий-калиевый насос и, через синтез АТФ, регулировать нарушение клеточных функций. Поскольку, когда клеточная энергия восполнена, организм надёжно функционирует, а эта энергия через воду клетки используется для поддержания межклеточных взаимосвязей. Сбалансированное состояние клетки, – это когда мембрана клетки несёт положительный заряд, а ядро – отрицательный.
Взаимоотношение баланса энергии – мембрана/ядро клетки находятся в соотношении 1 к 5, а электрическое напряжение – в диапазоне от 10 до 100 милливольт, в зависимости от возраста человека. Для сравнения: раковая клетка имеет на 60% меньше электрического напряжения, чем здоровая. Для изучения структурных особенностей дe-воды создан уникальный, не имеющий аналога в мире, аппаратно-программный комплекс измерения диэлектрической проницаемости и пространственно-частотных характеристик кластерной структуры воды».
Кого вы можете назвать своим учителем?
«Своим учителем не каждого человека назовёшь. Учитель – это тот, кто оставляет значительный след в вашей жизни, не зависимо от того, старше он, младше или ровесник. Важно, чтобы его жизненный опыт и деятельность оказали на формирования вашей личности большое благотворное влияние. Я с гордостью говорю, что у меня четыре учителя С.П. Королев, М.Г. Мещеряков, директор ОИЯИ В.Г. Кадышевский и его заместитель А.Н. Сисакян. Первых двоих, к сожалению, уже нет в живых. С ними мне посчастливилось работать долгие годы. Я восхищен талантом и прозорливостью этих людей и, безусловно, как личность, я многим им обязан и благодарен. Более 20 лет я работаю вместе с В.Г. Кадышевским и А.Н. Сисакяном. Они для меня не только идейные вдохновители и надёжная опора, но даже и друзья, что не раз подтверждала жизнь в самых сложных временах и ситуациях».
В многогранной деятельности НЦеПИ ОИЯИ есть ещё один аспект деятельности – сотрудничество с Тверским государственным университетом (ТвГУ)…
«Да, уже более десяти лет ведущие учёные НЦеПИ и ОИЯИ, согласно подписанного соглашение о сотрудничестве, читают лекции студентам естественных факультетов. Студенты же, в свою очередь, проходят практику в лабораториях ОИЯИ и в вычислительном центре – одном из лучших на территории России. В ТвГУ успешно прошла конференция «Математические модели сложных систем», которая вызвала самые восторженные отзывы ее участников из многих региональных российских университетов. На новый уровень наше сотрудничество поднялось с образованием Международного центра исследования сложных систем – структуры, которая объединила творческий и интеллектуальный потенциал ОИЯИ, НЦеПИ, ЦЕРН и ТвГУ».
О значении деятельности НЦеПИ для ОИЯИ говорит заместитель директора института, профессор А.Н. Сисакян: «Следует отметить большой вклад, который вносит Центр, возглавляемый В.Н. Самойловым, в выполнение научных планов нашего института, в том числе в области физики высоких энергий. Ряд работ по экспериментам CMS, ATLAS, COMPASS был выполнен при активном участии сотрудников НЦеПИ, которые содействовали оборудованию производственных участков, решению организационных и экономических вопросов, вносили творческий вклад совместно с опытными специалистами из лаборатории института. Центр решает многие прикладные задачи, но главное, – на его примере мы убедились в необходимости поиска новых форм взаимодействия фундаментальной науки и производства».
ОСНОВНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ НЦеПИ
Разработаны и созданы совершенно новые
– кванто-механическая сила;
– вид фазового перехода;
– вещество – гетероэлектрик, а также способы и технологии изготовления наночастиц для получения гетероэлектрика;
– эффект «супперкогерентность»;
– вид лазерного излучения и дипольный нанолазер на его основе;
– электроника и оптика;
– опалы, не отличающиеся по физическим и химическим свойствам от натуральных;
– сверхпористое кварцевое стекло;
– фотонные кристаллы;
– способ и аппаратно-программный комплекс измерения пространственно-частотных характеристик жидкостей;
– способ и устройство идентификации скрытых веществ по их свойствам;
– аппаратно-программный комплекс измерения и передачи пространственно-частотных характеристик природных процессов (принципиально новый тип системы регистрации и передачи характеристик природных процессов с помощью холловской спектрометрии);
– способ кодирования и передачи информации с использованием модулированных свойствами вещей, электромагнитных волн;
– методология и технология моделирования сложных развивающихся технологических процессов, а также юридических и экономических систем;
– аппаратно-программные комплексы управления сложными объектами;
– технология получения сверхчистых редкоземельных элементов;
– метод получения оптических сред с высокими показателями преломления.
Кроме этого
– дано теоретическое обоснование и проводятся эксперименты по выявлению влияния гравитационного потенциала на время жизни элементарных частиц;
– разработан опытный образец «звёздной батареи»;
– проведены исследования по созданию высокочастотной электроники без навесных элементов, высокоэффективного детонатора, наноусилителя;
– на лабораторных установках изучаются ленточные структуры воды, их свойства, эффект идеальной проводимости линейного кластера при компактной проводимости и возникновение электрического тока без рассеяния мощности на сопротивлении;
– завоевано призовое место в трехгодичном конкурсе, проводимом Министерством сельского хозяйства РФ среди новых технологий повышения урожайности сельскохозяйственной продукции.
ПОЛУЧЕНЫ ПАТЕНТЫ
– на фильтры оптического и ИК-излучения с заданной одной или несколькими спектральными полосами поглощения ЭМП видимого или ИК-диапазона (помимо избирательности поглощения, ГС-фильтры обладают более высокой, чем существующие абсорбционные фильтры из оптического стекла, контрастностью, и не требуют высоких температур при изготовлении);
– на фотокатод, фотоэлемент, гетерогенный фотоэлемент, в которых за счёт присутствия металлических наночастиц эффективность преобразования световой энергии в электрический ток в несколько раз выше, чем в существующих устройствах (наночастицы, действуя как миниатюрные «приемные антенны», увеличивают коэффициент поглощения ЭМП при генерации фотоэлектронов);
– на лазер с высоким коэффициентом усиления (плазменный резонанс поглощения наночастиц в активной среде может превратиться в резонанс усиления, если коэффициент усиления среды без наночастиц достаточно высок);
– на дипольный нанолазер (ДНЛ), состоящий из резонансного излучателя (атома или квантовой точки), расположенного в полупроводниковой матрице вблизи металлической наночастицы (в ДНЛ происходит генерация когерентных колебаний поляризации наночастицы, поэтому ДНЛ, в отличие от обычного лазера, не требует резонатора для ЭМП, что позволяет уменьшить его размеры до нескольких десятков нанометров и использовать их в интегральных схемах).
Ведётся подготовка к патентованию миниатюрной ёмкости частотного диапазона (1-300) гигагерц размером менее 100 нанометров для непосредственного использования в интегральных схемах. Ёмкости могут быть созданы, например, на основе ГС с матрицей из узкозонных полупроводников или сегнетоэлектриков с добавлением диэлектрических наночастиц. Резонанс возникает из-за синхронизации колебаний поляризации наночастиц в ЭМП матрицы и приводит к резкому увеличению диэлектрической проницаемости ГС и, как следствие, её емкости в частотном диапазоне, определяемом формой наночастиц. Аналогичный принцип может быть использован для создания миниатюрной индуктивности того же частотного диапазона.
Разрабатываются зеркала и линзы на основе ГС, усилители и бистабильные элементы для оптической обработки информации на основе дипольного нанолазера, в том числе для создания квантовой логической ячейки, жидкости с наночастицами – как эффективные теплоносители, контрастные жидкости для медицинской диагностики. Исследуются ГС с ферромагнитными наночастицами, ГС из сегнетоэлектриков с наночастицами.
Экспериментальная часть работ включает практическое создание технологии изготовления гетерогенных сред с наночастицами с заданными свойствами. Параллельно с проведением экспериментов создаются детальные математические модели для минимизации затрат в экспериментах для достижения оптимальных результатов. Таким образом, уникальные прикладные и материаловедческие параметры и свойства гетерогенных сред с наночастицами, реализованные на практике, приблизят тот час, когда появится возможность изготавливать детали электронных приборов крохотных наноразмеров. А новые устройства и материалы, полученные на основе гетерогенных сред с наночастицами, могут привести к многоплановой научно-технической революции.
СОЦИАЛЬНЫЕ ПРОГРАММЫ НЦеПИ ОИЯИ
Оказание постоянной материальной помощи Совету ветеранов, учреждениям культуры, в том числе и балетной студии, спорта (ежегодно проводится турнира по футболу памяти М.Г. Мещерякова среди юношеских команд, соревнования по водным лыжам), детским досуговым клубам, в том числе коллективу детского хора «Подснежник»; спортивному радиоклубу.
Приобретение учебных пособий, спортивного инвентаря для школ, детского сада, библиотеки.
Издание пяти книг поэтов и прозаиков Дубны, а также книги об истории побратимства городов Дубна (Россия) и Ла-Кросс (США).
Июнь 2005 года
Лев Рудский (WRN)