Лазерный мир

Научный директор Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах European XFEL, профессор Университета ИТМО Сергей Львович Молодцов рассказал РИА Новости, зачем Россия вложила огромные средства в эту установку, и объяснил, почему она способна совершить революцию в биологии, химии и других областях науки и техники уже в ближайшие месяцы и годы.

Лазер на свободных электронах XFEL

В 2007 году Германия и ряд европейских стран приняли решение построить мощнейший рентгеновский лазер на свободных электронах XFEL, который позволит наблюдать за движением молекул в режиме реального времени, получать высококачественные фотографии биологических объектов и прикоснуться к сокровенным, самым «малым» и «быстрым» тайнам природы.

Проект European XFEL оценивается примерно в 1,2 миллиарда евро, в нем участвуют 12 стран. Россия присоединилась к нему в июле 2009 года по инициативе Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», возглавляемого Михаилом Валентиновичем Ковальчуком. Институт также выступил координатором научных программ российских исследователей. Россия выделяет на проект 306,4 миллиона евро, и только за последние три года была перечислена почти треть этой суммы — около 6,5 миллиарда рублей.

Эксперименты на XFEL

Первые эксперименты на XFEL были проведены в мае прошлого года, а в сентябре лазер официально начал свою научную карьеру. Как ожидают ученые, он поможет совершить тысячи новых открытий как европейским, так и российским биологам, химикам и физикам.

Сергей Молодцов, научный директор Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах «European XFEL»

— Сергей Львович, Нобелевская премия по химии была присуждена в этом году за создание технологий cryoEM-микроскопии, способной решать схожие задачи, что и синхротроны, и лазеры на свободных электронах. Будут ли XFEL и другие источники излучения такого рода конкурировать с подобными установками?

— Следует сразу отметить, что Нобелевский комитет серьезно рассматривает перспективу присуждения одной из последующих премий по физике за создание рентгеновского лазера на свободных электронах. Еще в 1980 году Евгений Салдин и Анатолий Кондратенко из Института ядерной физики имени Будкера в Новосибирске первыми в мире предсказали, что лазеры на свободных электронах могут действовать подобным образом.

Совсем недавно Евгений Салдин, который работает в настоящее время в Гамбурге, в Немецком синхротронном центре DESY, был приглашен на встречу с представителями Нобелевского комитета в Стокгольме, где он рассказал о том, как рентгеновские лазеры были изобретены и созданы в реальности. Остается ждать результатов этой беседы.

Плюсы и минусы

Если сравнивать лазеры на свободных электронах и криогенные микроскопы, и у тех и у других есть свои плюсы и минусы. И XFEL, и микроскопы могут получать фотографии клеток, белков и объектов неживой природы с атомным разрешением, однако имеется несколько серьезных отличий, которые позволяют нам говорить о том, что эти технологии дополняют друг друга, а не конкурируют между собой.

Схема рентгеновского лазера на свободных электронах XFEL

К примеру, для изучения клеток или каких-то живых организмов при помощи криоэлектронного микроскопа нам необходимо заморозить их — иными словами, существенным образом изменить их состояние. Этого не нужно делать, проводя эксперименты на XFEL.

Второе отличие заключается в том, как быстро мы можем получить результаты. Как правило, на заморозку образцов и их анализ под микроскопом уходит масса времени. Мы же можем напрямую изучать биологические объекты при помощи нашего лазера, помещая их в аэрозоли и распыляя их. Благодаря этому нам удается одновременно изучить колоссальное количество молекул или объектов за то же время, которое наши коллеги тратят на получение фотографий одного биообъекта.

Вдобавок мы можем следить и за тем, что происходит с отдельными атомами и молекулами внутри изучаемых объектов с течением времени, исследовать динамику их движения, что невозможно для замороженных объектов внутри криоэлектронных микроскопов.

Схема работы лазера на свободных электронах

Конечно, недостатки есть: лазеры на свободных электронах — безумно дорогие установки, доступные далеко не каждому ученому. Сегодня во всем мире существует всего около 15 станций, на которых занимаются подобными измерениями, а микроскопы можно установить почти в каждом институте или университете.

В каком-то смысле на микроскопах ученые проводят предварительные измерения, итоги которых потом дадут им возможность сделать более сложные и дорогостоящие эксперименты уже у нас, на лазерах. Иными словами, микроскопы осуществляют своеобразный естественный отбор, помогая самым интересным и серьезным проектам реализоваться.

Читать далее: https://ria.ru/science/20180130/1513527241.html