Мозговой штурм: как молодые ученые участвуют в масштабных проектах человечества

Пятеро ученых из Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (НИЯУ МИФИ) рассказали о том, как они приближают революцию в биомедицине, прорыв в термоядерной энергетике, переворот в нанотехнологиях и кибербезопасности. Благодаря этим молодым женщинам и мужчинам в нашем мире, возможно, уже совсем скоро не будет нефти, урана, бесполезных лекарств и хакерских атак.

Диана Бачурина

создает новые материалы для термоядерного реактора ДЕМО

Аспирантка, инженер кафедры «Физические проблемы материаловедения». Получатель стипендии Президента РФ для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики. 27 лет, замужем. Увлекается танцами, сноубордингом и яхтингом.

В настоящее время 770 млн. человек живут без доступа к электроэнергии. Оставшееся население в 80% случаев получает электричество, сжигая ископаемые виды топлива, запасы которых снижаются. Между тем, человеческие потребности постоянно растут, а это значит, что к 2100 году без электричества могут остаться практически все жители Земли. Чтобы это предотвратить, ученые разрабатывают термоядерный реактор.

В скором времени заработает экспериментальная установка ИТЭР, после чего начнется строительство демонстрационного реактора ДЕМО. На его примере ученые научатся конвертировать термоядерную энергию в электрическую. Однако для этого им необходимо решить множество сложных научных задач.

Одна из них заключается в создании новых материалов для ДЕМО. Современные материалы, подвергаясь воздействию высоких температур и потоков высокоэнергетичного облучения, быстро разрушаются. Только вольфрам может находиться в непосредственной близости к области протекания термоядерной реакции в ДЕМО. Вместе с тем из него нельзя сделать всю конструкцию реактора, для этого выбрана сталь. Но свойства вольфрама и стали сильно различаются, из-за чего их прямое соединение быстро разрушается. Ученым необходимо получить их прочный контакт.

— В своей работе я применяю технологию высокотемпературной пайки. Конечно, припои, которые продаются в магазинах, для этого не подойдут. Нужны сложные сплавы, состоящие из титана, циркония, меди и даже бериллия. Передо мной стоит задача разобраться, какой же состав сплава-припоя максимально подходит для того, чтобы компоненты реактора ДЕМО сохраняли целостность на протяжении всего срока службы реактора, а это около 30 лет!

Ядерная энергетика будущего глазами Дианы Бачуриной:

— Во-первых, наше будущее — это термояд; во-вторых, замкнутый топливный цикл, который позволит не производить отходы от ядерных реакторов, а их использовать; и, в-третьих, толерантное топливо (ядерное топливо, устойчивое к нештатным ситуациям на АЭС). Моя задача и задача многих моих коллег — помогать это будущее воплощать в жизнь.

Если же говорить конкретно о материаловедении термоядерных реакторов, то здесь, пожалуй, все силы стоит бросить на разработку вольфрама и его сплавов. Пока это основной материал для термоядерного реактора, но у него, к сожалению, много недостатков.

Женщины в ядерной физике:

— Если у кого-то возникает желание заниматься ядерной физикой, вне зависимости от пола, нужно начинать это делать. Не вижу никакой разницы быть женщиной или мужчиной в науке.

Например, у нас в лаборатории девушек очень много. Некоторые даже шутят, что материаловедение — это такая наука, которая девушкам дается лучше из-за нашей аккуратности, хотя я против сравнения людей по половому признаку, все зависит от человека.

Константин Когос

разрабатывает методы противодействия кибератакам

Заместитель директора Института интеллектуальных кибернетических систем НИЯУ МИФИ. Победитель конкурса Грантов Президента РФ для поддержки молодых ученых-кандидатов наук. 30 лет, холост. Игрок, экс-капитан любительской команды МИФИ по регби, увлекается парусным спортом.

Исследовательская группа под руководством Константина (кафедра «Криптология и кибербезопасность» НИЯУ МИФИ) концентрируется на вопросах реверс-инжиниринга и эксплуатации бинарных уязвимостей.

Современные крупные IT-продукты содержат огромную кодовую базу, а значит и потенциальные возможности как для преднамеренного встраивания, так называемых закладок, так и для непреднамеренно возникших уязвимостей, которые могут стать причиной серьезных кибератак. Это касается и программного, и аппаратного обеспечения.

Выявление таких закладок и уязвимостей — высокотехнологичная и наукоемкая задача, которая в настоящее время крайне востребована. Вендоры IT-продуктов хотят быть уверены в их безопасности: многих публично известных взломов IT-решений и утечек данных можно было бы избежать при серьезном предварительном аудите безопасности соответствующих продуктов.

— Мы проводим исследования разных устройств: от мобильных телефонов до промышленных коммутаторов. Наша команда создает целую экосистему продуктов для исследований и разработок в области практического анализа защищенности готовых информационных решений. Это включает в себя и реверс-инжиниринг мультиплатформенных приложений (обратная разработка), и фаззинг-тестирование бинарного кода (подача на вход некорректных или случайных данных), и разработку PoC-эксплойтов (моделирование компрометации компьютерной системы) и прочие методы противодействия кибератакам.

Кибербезопасность будущего глазами Константина Когоса:

— Благодаря тому, что последнее десятилетие происходит бурное развитие IT-технологий, кибербезопасность сильно изменилась как отрасль. С появлением умных устройств, «интернета вещей», всеобщей цифровизации производственных процессов, повсеместным внедрением облачных технологий, параллельно развиваются и методы защиты.

Нужно понимать, что кибербезопасность — это такая вечная гонка между хакерами и «безопасниками»: одни пытаются взломать компьютерные системы, другие — их защитить. Так уж получается, что они делают почти одно и то же, используя похожий арсенал средств.

Есть хорошее правило: в IT можно строить прогнозы на два, максимум три года. Очевидно, например, что в ближайшее время будут активно внедряться беспилотные автомобили, а это, конечно, приведет к потенциальным хакерским атакам. Нам остается только держать руку на пульсе.

Каково быть молодым «кибербезопасником» в России:

— С одной стороны, в нашей интересной сфере, которая даже немного романтизирована, созданы хорошие условия: есть огромная потребность в кадрах, все наши выпускники крайне востребованы. Но при этом, чтобы действительно быть крутым специалистом, иметь место в общемировой повестке, нужно очень много работать и постоянно быть в тонусе.

Екатерина Ахлюстина

разрабатывает альтернативу антибиотикам

Аспирантка 4-го года обучения, инженер-исследователь Инженерно-физического института биомедицины НИЯУ МИФИ. Победитель конкурса 2019−2021 гг. на получение стипендии президента РФ молодым ученым и аспирантам. 27 лет, не замужем. Увлекается фотографией и ставит кулинарные эксперименты.

Последние 10 лет тема альтернативных методов борьбы с антибиотикорезистентыми бактериями актуальна во всем мире: бактерии становятся все более устойчивыми, а люди зачастую не соблюдают правила применения лекарственных препаратов. Екатерина входит в группу ученых, которые разработали активируемые светом химические соединения для антибактериального применения. Они показывают эффективность минимум в 10 раз большую, чем у обычных антибиотиков.

Проверку их фотодинамической эффективности ученые проводят на резистентных клинических штаммах бактерий, как грамотрицательных (синегнойная палочка и др.), так и грамположительных (золотистый стафилококк и др.). В отличие от многих антибиотиков, которые нацелены только на один тип бактерий, новые соединения при активации светом эффективны против всех видов. При внедрении в клинику это позволит экономить время, исключив из анализа определение типа бактерий.

Пока препараты можно использовать только в технических целях (например, для обработки поверхностей). Но впоследствии на базе этих соединений будет разработана лекарственная форма, которая будет разрешена к применению как в медицине, так и в ветеринарии.

— Наши соединения, во-первых, имеют высокое светопоглощение, а значит, эффективно поглощают свет и передают его кислороду. На выходе получается высоко реактивная форма кислорода, которая эффективно уничтожает бактерии. Во-вторых, эти соединения при растворении имеют положительный заряд, а это увеличивает эффективность взаимодействия с бактериями в планктонном (свободном) состоянии и биопленках. В-третьих, соединения поглощают свет в ближнем ИК-диапазоне, где находится так называемое «окно прозрачности биологической ткани». Это увеличивает глубину проникновения света в биоткань, а соответственно и глубину фотодинамического воздействия.

Биомедицина будущего глазами Екатерины Ахлюстиной:

— Мы будем постепенно переходить к персонализированной медицине, лекарства будут разрабатываться не в целом на популяцию или отдельную группу людей, а непосредственно под индивидуальные особенности того или иного человека с учетом его сопутствующих заболеваний.

Еще я очень надеюсь, что уже скоро мы узнаем многие фундаментальные вещи, связанные с головным мозгом — одним из самых неизученных органов в нашем теле. Это поможет в работе по созданию искусственного интеллекта, который со временем будет внедрен в медицину.

Женщины в науке:

— Патриархальное общество меняется, и за этим стоим мы — женщины. Мы объединяемся и помогаем друг другу. Очень вдохновляют яркие примеры: в этом году Нобелевскую премию по химии за разработку и исследование метода редактирования генома получили две женщины (Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье), а также в числе нобелевских лауреатов по физике астроном Андреа Гез. Я призываю всех родителей не бояться отдавать своих дочерей в технические вузы, девочки могут выбирать любую профессию и должны иметь хорошее образование.

Ярослав Садовский

разрабатывает прибор для сбора пыли в токамаке ИТЭР

Доцент кафедры физики плазмы Института лазерных и плазменных технологий МИФИ, получатель гранта президента для молодых ученых кандидатов наук, 35 лет, женат. Увлекается музыкой, играет на музыкальных инструментах, мастерит самоделки.

В настоящее время во Франции строится международный термоядерный реактор ИТЭР — плазменный реактор типа токамак, в котором в вакуумной камере зажигается кольцевой плазменный разряд. Токамаков в мире существует несколько десятков, однако ни на одном из них энергия, полученная в ходе термоядерных реакций, не превышает энергию, вкладываемую для нагрева плазмы. В ИТЭРе энергетический выход должен превысить вклад в 10 раз.

ИТЭР — самый большой токамак в истории, а с ростом размеров растет и масштаб всех явлений. В том числе, образование металлической пыли, которая может представлять опасность в случае нештатных ситуаций.

Ученые НИЯУ МИФИ разрабатывают специальный зонд-пылесборник, который позволит без участия людей доставать образцы накопившейся пыли из вакуумной камеры реактора.

— Подобно тому, как можно быстро оценить загрязненность комнаты, проведя пальцем по книжной полке, мы собираемся оценивать количество пыли в токамаке ИТЭР. Специальный автоматизированный зонд должен проехать около 20 метров по извилистым трубчатым каналам до вакуумной камеры ИТЭР, взять там образцы пыли и вернуться назад, не потеряв ее.

Плазменные технологии будущего глазами Ярослава Садовского:

— ИТЭР — долгосрочный проект, дай бог, чтобы он заработал в полную силу лет через 20. Настоящую термоядерную энергетику, которая будет давать нам энергию, можно ждать в лучшем случае лет через 40−50. Но ждать ее стоит, поскольку это решит многие проблемы: человечество получит новый экологичный источник энергии, использующий практически неиссякаемые запасы топлива.

Вместе с тем, с точки зрения энергетики можно сделать ставку на возобновляемые источники, например, солнечные станции. Вот здесь осталось немного до прорыва: надо повысить КПД процентов на 10−15, и они станут невероятно выгодными. В горизонте 20 лет солнечная энергетика может стать лидирующей, составив конкуренцию любым другим источникам энергии. Очевидно, что любое использование ископаемых топлив — это прошлый век, от которого нужно как можно быстрее уходить.

Каково быть физиком-ядерщиком в России:

— У нас есть большой плюс с точки зрения изобретательности и изворотливости наших умов, которые часто действуют в смежных областях, не заточены на какую-то узкую отрасль. Это всегда очень помогает найти нестандартные решения.

Михаил Маслов

разрабатывает новые наноматериалы с уникальными электронными характеристиками, в частности, кремниевые полипризманы

Доцент Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике НИЯУ МИФИ, обладатель нагрудного знака «Лучший молодой преподаватель НИЯУ МИФИ», член Американского химического общества (ACS). 36 лет, женат. Играет на музыкальных инструментах, любит велосипедные прогулки и бильярд.

Кремний — широко распространенный в земной коре элемент, который сегодня находит широчайшее применение в различных электронных устройствах: от интегральных схем до элементов солнечных батарей. При нормальных условиях кристаллический кремний обладает алмазоподобной решеткой и является классическим полупроводником. Однако все чаще высказывается мнение, что его эпоха близится к закату.

Вместе с тем, как полагают исследователи МИФИ, кремний способен проявить себя в неожиданном качестве, пережив второе рождение с точки зрения морфологии и совокупности структурных характеристик. Так, ученые задумались об использовании кремния в форме кремниевых полипризманов, которые обладают новыми свойствами и существенно расширяют границы применимости.

Кремниевые полипризманы представляют собой уложенные слоями кремниевые кольца, поэтому достаточно длинные полипризманы можно считать аналогами тонких кремниевых одностенных нанотрубок с экстремально малым поперечным сечением в виде правильного многоугольника.

— Как и в кристаллическом кремнии каждый атом в полипризмане связан с четырьмя соседями. Однако такие наноструктуры являются антиподом привычному нам кремнию. Они сильно напряжены: напряжение обусловлено самой геометрией полипризманов, которая содержит валентные углы, равные 90°, что существенно отличается от традиционного значения в 109.5°. Анализ электронных характеристик свидетельствует, что полипризманы проявляют металлическую природу, которая сохраняется как при приложении механических напряжений, так и внедрении в кремниевый каркас дефектов. Это на сегодняшний день единственный известный науке кремниевый аллотроп, который можно отнести к классу металлов.

Нанотехнологии будущего глазами Михаила Маслова:

— Нанотехнологии будут развиваться по нескольким направлениям: фармацевтика, в частности, адресная доставка лекарственных препаратов с помощью наноструктур; энергетика — новые источники энергии, например, на основе немолекулярного азота; наноэлектроника на основе новых низкоразмерных материалов (графена, силицена), стрейнтроника и спинтроника.

Если говорить конкретно об электронике будущего, то мы будем наблюдать симбиоз биоинженерии и наноэлектроники. В конечном итоге биологические системы станут равноправной элементной базой электроники.

Каково быть молодым исследователем в России:

— Лично я себя чувствую вполне комфортно. Я занимаюсь теоретической физикой, компьютерным моделированием. В этой сфере необходимо развивать доступные суперкомпьютерные центры по всей стране. Пока у нас наблюдается дефицит вычислительных мощностей.

В целом же хотелось бы более мощной грантовой поддержки исследовательских коллективов и снижения забюрократизированности российской науки. Нам нужно поднимать престиж профессии: общество должно знать о результатах деятельности наших ученых.

Источник: РИА Новости