За какие прорывы наградили ученых Премией «ВЫЗОВ» 2024
«ВЫЗОВ» — национальная премия. Ежегодно ее вручают ученым, изобретателям и исследователям, чьи открытия, технологии и личный вклад меняют ландшафт науки, решают важные задачи и двигают прогресс вперед. Рассказываем о лауреатах 2024 года и о том, почему за их достижениями стоит следить.
Когда свет проходит сквозь человеческую ткань, он будто теряется в тумане: клетки и микроскопические структуры рассеивают его, не давая проникнуть глубже. Это ограничивает возможности диагностики и исследований. Эту проблему, сделав ткани прозрачными, радикально решил Валерий Тучин — один из ведущих мировых специалистов в биофотонике, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией лазерной диагностики технических и живых систем ИПТМУ ФИЦ «Саратовский научный центр РАН», заведующий кафедрой оптики и биофотоники СГУ, член-корреспондент РАН.
Ткани состоят из множества структур — от органелл до коллагеновых волокон, — которые рассеивают свет. Он отражается, меняет направление и в итоге «глохнет» на небольшой глубине. Эта особенность мешает ученым заглянуть внутрь организма, не разрезая его.
Однако ткани можно сделать проницаемыми — Валерий Тучин предложил использовать для этого метод иммерсионного оптического просветления. Суть подхода проста: часть жидкости в ткани (в основном воды) заменяется оптическим агентом, таким как глицерин. Он проникает в структуру ткани, снижает рассеяние света и выравнивает оптическую плотность. В результате свет проходит глубже, а изображения внутренних структур становятся четкими.
Первым экспериментом с использованием метода Тучина стала визуализация мозга крысы: его сделали настолько прозрачным, что клетчатая бумага просвечивала насквозь. То есть стало возможно изучать тончайшие структуры мозга без их разрушения.
Ученики Тучина — Кирилл и Ирина Ларины из Университета Хьюстона — применили эту же методику для динамического наблюдения за эмбрионами крыс. Впервые исследователи смогли в реальном времени отслеживать развитие плода внутри тела животного.
Кроме того, оптическое просветление тканей помогло разработать метод неинвазивного анализа глюкозы в крови. Вместе с китайскими коллегами Тучин выяснил, что скорость проникновения агента в ткань можно использовать для оценки концентрации сахара. Это открытие стало основой новых подходов для диагностики диабета.
Исследования Тучина помогли дифференцировать здоровые и опухолевые ткани по их оптическим свойствам. Например, с помощью спектроскопии в терагерцовом диапазоне можно оценить злокачественность как небольших родинок, так и опухолей мозга. Во время операций этот метод позволит точно определить границы опухоли и удалить ее полностью, сохраняя здоровую ткань. Ведь полное удаление опухоли — ключевой фактор успешного лечения пациента.
А вместе с Владимиром Жаровым из Арканзасского института исследований рака Тучин разработал «in vivo проточную цитометрию» — метод, который позволяет обнаруживать и уничтожать раковые клетки прямо в крови пациента. Лазерный луч, направленный на крупный сосуд, заставляет клетки меланомы поглощать энергию и испускать звуковой сигнал при разрушении. Врачи в реальном времени получают данные о количестве раковых клеток и могут уничтожать их прямо во время операции. Этот метод снизил риск метастазирования и стал основой вспомогательной терапии.
Гетероциклы — это молекулы с кольцевой структурой, которые вместо углерода могут содержать азот, кислород или другие элементы. Эти соединения играют ключевую роль в биохимии и энергетике, но их свойства зависят от распределения зарядов и связей внутри молекулы. На этой тонкой науке строится работа Леонида Ферштата, доктора химических наук, заведующего лабораторией азотсодержащих соединений Института органической химии имени Зелинского РАН, профессора базовой кафедры Института органической химии имени Зелинского НИУ ВШЭ.
Когда гетероатомы участвуют в ароматической системеОсобый тип молекул с кольцевой структурой, в которой электроны равномерно распределены между атомами, как в бензоле. Это делает такие соединения очень устойчивыми и химически стабильными, они изменяют распределение зарядов. Например, в пирроле — пятичленном цикле с атомом азота — условно положительный заряд концентрируется на атоме азота, а отрицательный — на углеродах. Это влияет на реакционную способность молекулы: разные участки кольца становятся более или менее восприимчивыми к присоединению химических групп. Задача Ферштата — создавать стабильные структуры с максимальной энергетической плотностью и улучшенными свойствами.
Ученый разработал простые и эффективные методы для создания сложных молекул, которые могут использоваться в медицине и энергетике. Его работы позволяют получать широкий спектр веществ и изучать их свойства.
Так, вместе с коллегами Леонид Ферштат создал разные фуроксанил-тетразолиевые соли с уникальными свойствами. Это удалось благодаря соединению фуроксана с тетразолиевой группой, которая добавила молекуле отрицательный заряд. А сложные и хрупкие молекулы (1,2,4-триазолил)-фуроксанов команда Ферштата смогла стабилизировать с помощью гидразина и карбоновых ангидридов, чтобы добавлять к ним новые функциональные группы. Их применяют для создания полимерных материалов, ингибиторов коррозии и лекарств.
Впервые исследователи синтезировали молекулы азофуроксаны, где гетероциклы соединены мостиком из азота (—N=N—). Азогруппы обладают высокой энергией и могут выделять азот — это делает такие соединения перспективными для энергетики. Особенно ценны вещества, которые выделяют оксид азота (II): этот молекулярный газ расширяет сосуды, заживляет раны и участвует в передаче сигналов между нейронами.
И это не все достижения Ферштата. При его участии также:
Лучевая терапия — важное оружие в борьбе с раком. Однако наряду с уничтожением опухоли она повреждает и здоровые ткани. Ученые давно ищут способ устранить этот недостаток и сделать облучение более прицельным. В 1936 году появился метод бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ), который обещал уничтожать раковые клетки, не затрагивая здоровые. Но препараты не обеспечивали необходимую концентрацию атомов бора в клетках опухоли, а генераторы нейтронов были громоздкими и нестабильными. Решение — компактный и эффективный ускорительный источник нейтронов VITA — нашел Сергей Таскаев, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией бор-нейтронозахватной терапии Новосибирского государственного университета, главный научный сотрудник Института ядерной физики СО РАН, президент Фонда развития нейтрон-захватной терапии «ФОРА».
Раковые клетки поглощают питательные вещества быстрее, чем здоровые. Исследователи используют этот механизм: борсодержащие препараты имитируют аминокислоты и проникают внутрь опухолевых клеток через их транспортные системы. Когда клетки накапливают бор-10 и облучаются нейтронами, атомы бора захватывают эти нейтроны и распадаются, выделяя альфа-частицы и ядра лития. Эти частицы уничтожают раковые клетки, но не выходят за их пределы, поскольку максимально пробегают в тканях всего десять микрометров — меньше размера самой клетки.
Прежние попытки применения БНЗТ были неудачными из-за недостаточной концентрации бора и низкой мощности нейтронных источников. Команда Таскаева создала компактную, но мощную установку VITA, которая генерирует нейтроны оптимальной энергии прямо в клинике. Вместо громоздких ускорительных труб ученые применили систему вложенных цилиндрических электродов, закрепленных на одном изоляторе. В этой «капустной» структуре электроды, словно листья вокруг кочерыжки, поддерживают устойчивый поток частиц.
VITA использует отрицательные ионы водорода, которые разгоняются в электрическом поле и попадают в газовую мишень, где теряют электроны и превращаются в протоны. Те устремляются к литиевой мишени, где и рождаются нейтроны. Конструкция мишени продумана до мельчайших деталей: чистый литий генерирует нейтроны, медный субстрат отводит тепло, а слой тантала предотвращает повреждение структуры.
Инженерные решения сделали VITA источником стабильного нейтронного потока — она генерирует около миллиарда нейтронов на квадратный сантиметр в секунду. Пучок эпитепловых нейтронов имеет нужную энергию для БНЗТ, а уровень гамма-излучения и быстрых нейтронов минимален. Давление в установке поддерживается на уровне 10⁻⁷ миллиметров ртутного столба, что уменьшает потери энергии и образование вторичных частиц.
В 2022 году VITA использовали для доклинических испытаний на животных. Ученые зафиксировали уменьшение размеров опухолей, восстановление аппетита и улучшение общего состояния подопытных. Сейчас в Китае проходят клинические испытания на пациентах с опухолями головы и шеи, а в России VITA готовят к внедрению в ведущих онкологических центрах.
Но VITA — это не только медицинский инструмент. Установку применяют и для научных исследований. С ее помощью измеряют концентрации примесей в материалах для термоядерного реактора ИТЭР, изучают радиационную стойкость полупроводниковых приборов и даже тестируют прозрачность оптического волокна под действием нейтронного облучения.
История аккумуляторов началась с попыток укротить электричество, но лишь в XIX веке человечество получило первые работающие модели. Прорывом стало изобретение свинцово-кислотного аккумулятора, а затем — литий-ионных батарей, которые сделали возможным создание смартфонов и электромобилей. Но такие аккумуляторы далеко не идеальны. Ученые все еще ищут материалы, которые позволят создавать более емкие, безопасные и доступные аккумуляторы. Евгений Антипов и Артём Абакумов — ведущие специалисты в этой области — предложили перспективные решения.
Евгений Антипов — доктор химических наук, заведующий кафедрой электрохимии химического факультета МГУ имени Ломоносова, профессор Сколковского института науки и технологий, член-корреспондент РАН. Артём Абакумов — кандидат химических наук, директор Центра энергетических технологий Сколковского института науки и технологий, заслуженный профессор Сколковского института науки и технологий.
Современные литий-ионные аккумуляторы работают благодаря катодам на основе переходных металлов, таких как никель, кобальт и марганец. Именно катодный материал определяет, сколько ионов лития может переходить из анода в катод и обратно при заряде и разряде. Тип и структура катода влияют на емкость, рабочее напряжение и скорость зарядки аккумулятора.
Команда Антипова и Абакумова разработала новые катодные материалы — NMC622 и NMC811. Эти слоистые оксиды с высоким содержанием никеля обладают улучшенной стабильностью и меньшей горючестью. Главное достижение ученых — создание сферических монокристаллов материала NMC811, которые позволили увеличить объемную плотность энергии до рекордных 2 680 милливатт-час на кубический сантиметр и снизить потерю емкости после тысячи циклов заряда-разряда всего до 15 процентов.
Чтобы сделать производство более доступным и масштабным, ученые разработали гидротермальный метод синтеза катодов. Этот метод использует сверхвысокие температуры и давление для растворения компонентов, что обеспечивает высокую чистоту и идеальную кристаллизацию частиц размером всего несколько десятков нанометров. Такой подход улучшает электрохимические характеристики батарей.
В своей компании «Рустор» исследователи наладили опытное производство катодных материалов мощностью до 10 тонн в год. Созданные на их основе аккумуляторы с энергоемкостью до 230 ватт-час на килограмм могут использоваться в электромобилях и системах хранения энергии.
Литий — дефицитный и дорогой ресурс, поэтому ученые засматриваются на натрий. Он в разы доступнее, а его запасы распределены по планете более равномерно. Однако ион натрия крупнее лития, что усложняет создание эффективных анодов и катодов.
Антипов и Абакумов предложили катодные материалы NaVP₂O₇ и NaVPO₄, которые обеспечивают удельную энергоемкость до 540 ватт-час на килограмм — рекордное значение для натрий-ионных батарей. Для улучшения уже известных катодов на основе Na₃V₂(PO₄)₃ они применили метод микроволнового гидротермального синтеза. Это позволило ускорить процесс и улучшить характеристики материалов.
Для анодов команда разработала «жесткий углерод», устойчивый к циклам заряда-разряда и оптимизированный для хранения ионов натрия. Итогом этих работ стали первые в России полноразмерные прототипы натрий-ионных батарей с удельной емкостью до 106 ватт-час на килограмм.
Еще одной перспективной альтернативой литий-ионным аккумуляторам стали калий-ионные батареи. Калий гораздо дешевле и доступнее лития, но создание стабильных калий-ионных систем — задача сложная, и серийно такие аккумуляторы не производятся. Группы Антипова и Абакумова разрабатывают катоды на основе гексацианоферрата марганца-калия и фторофосфата калия-ванадия (KVPO₄F), а также «жесткие углероды» для анодов. Уже созданы первые прототипы емкостью до 200 миллиампер-час. Успех калий-ионных технологий позволит создать аккумуляторы, которые не уступают литий-ионным по характеристикам, но обходятся значительно дешевле.
Работы Антипова и Абакумова охватывают не только прикладные разработки, но и фундаментальные исследования. Они изучают, как микроструктура, химический состав и микродефекты катодов влияют на их свойства. С помощью методов in situ и in operando исследователи наблюдают за изменениями материалов прямо во время работы батарей, что позволяет создавать более надежные устройства.
Их подход помог создать методики расчета и диагностики катодных материалов, которые применяются по всему миру. Это не просто производство аккумуляторов — это глубокое понимание закономерностей химии твердого тела.
Человеческий мозг — это миллиарды нейронов, создающих и передающих электрические сигналы. Эти вспышки активности поддерживают наше мышление, память и восприятие мира. Но как именно нейроны организуют эту симфонию? Как отличить здоровый процесс обработки информации от патологий? Чтобы заглянуть в работу мозга, ученые придумали множество инструментов — от электроэнцефалографии (ЭЭГ), которая фиксирует электрическую активность с поверхности головы, до сложных методов имплантации электродов непосредственно в мозг. Однако ЭЭГ «слышит» только поверхностные сигналы, а имплантируемые электроды считывают лишь локальные данные и со временем теряют контакт, а еще не очень подходят для человека. Нужен был метод, который позволил бы изучать активность мозга более глубоко и неинвазивно.
Тогда ученые придумали метод функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) и научились косвенно судить о нейронной активности по сигналу BOLD (Blood Oxygen Level Dependent). Понимание BOLD-сигнала улучшил Никоса Логотетис — PhD по нейробиологии человека, директор Международного центра исследований мозга приматов (ICPBR), почетный директор Института биологической кибернетики им. Макса Планка. В 2001 году он показал: фМРТ можно объединить с прямыми записями электрической активности нейронов.
В экспериментах на макаках Логотетис записывал данные с помощью платино-иридиевых микроэлектродов, покрытых стеклом для минимизации помех. Эти электроды фиксировали локальные потенциалы и нейронные спайки — импульсы отдельных клеток.
Чтобы проанализировать связь между сигналом фМРТ и нейронной активностью, исследователи показывали обезьянам вращающиеся шахматные узоры, которые меняли направление каждую секунду. Это исключало привыкание зрительной коры к раздражителям. Параллельно приборы регистрировали изменения кровотока с помощью BOLD-сигнала. Логотетис выяснил, что BOLD-сигнал сильнее коррелирует с локальными потенциалами — суммарной активностью нескольких нейронных популяций, а не с отдельными спайками.
Логотетис и его команда пошли дальше, разработав контрастные растворы для отслеживания перемещений ионов кальция с помощью МРТ. Ионы кальция играют ключевую роль в передаче сигналов между нейронами и сосудами мозга. Исследователи связали атомы гадолиния — стандартного контраста для МРТ — с молекулой ЭГТА, которая связывает ионы кальция. Это позволило видеть взаимодействие нейронов с поддерживающими клетками — астроцитами, которые регулируют расширение сосудов и обеспечивают приток крови.
Кроме того, одним из ключевых достижений Логотетиса стало создание метода Neural-Event-Triggered (NET) fMRI, позволяющего сканировать мозг по событиям, связанным с нейронными вспышками. Он должен помочь в изучении процессов запоминания и консолидации памяти. Ученые смогут «видеть», как воспоминания формируются и превращаются в долговременные.
Научный комитет Премии «ВЫЗОВ» из числа выдающихся ученых и популяризаторов науки ежегодно отмечает лучших из лучших — ученых и инженеров, чьи открытия двигают науку и общество вперед. Общий призовой фонд Премии «ВЫЗОВ» в 2024 году составил 55 миллионов рублей — по 11 миллионов рублей в каждой из пяти номинаций.
Лауреаты Премии «ВЫЗОВ» 2024 года демонстрируют, как фундаментальные исследования превращаются в прикладные технологии, способные изменить жизнь миллионов людей. От методов диагностики и терапии онкологических заболеваний до устойчивых источников энергии — их работы подтверждают, что наука не стоит на месте и всегда готова ответить на вызовы настоящего.
Реклама: Фонд развития научно-культурных связей «Вызов» ИНН 9731116769 erid: 2W5zFJ7GQsS