CC BY
17
Совместная белорусско-германская научная лаборатория оптической диагностики (ЛОД) официально существует с июня 2004 г. и прошла половину «испытательного срока». Это первый опыт организации международной лаборатории подобного типа на территории СНГ. Сегодня, по прошествии двух лет, в течение которых сотрудники ЛОД должны были с нуля создать структуру и наладить научную работу, пришло время подводить предварительные итоги и рассказывать о результатах ее деятельности.
ЛОД продолжает развиваться
Идея возникновения научной лаборатории оптической диагностики принадлежит представителям Фраунгоферовского института неразрушающего контроля (Германия) и группе ученых Института физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси во главе с академиком Николаем Казаком. ЛОД организована в рамках проекта Международного научно-технического центра (МНТЦ), основной целью которого было создание лаборатории, выступающей примером новой формы научно-технической кооперации на взаимовыгодной основе.
По словам директора международной научной лаборатории оптической диагностики академика Николая Казака и профессора, доктора физико-математических наук Владимира Белого, первые два года существования ЛОД были направлены прежде всего решению организационных вопросов. Руководители проекта разработали пакет документов, регулирующих организационную, финансовую, экономическую, юридическую и научную функции. Белорусская сторона подготовила к эксплуатации комнаты для теоретических и экспериментальных исследований с необходимой инфраструктурой. Было закуплено самое современное оборудование, позволяющее персоналу лаборатории работать на уровне международных стандартов. Только за первые полтора года на приобретение оборудования Европейский союз выделил 400 тыс. долл. США. Кроме того, наши ученые занимались подбором высококвалифицированного научного персонала, отобранного на конкурсной основе из Фраунгоферовского Института неразрушающего контроля, а также Института физики НАН Беларуси, Белгосуниверситета и других научных организаций нашей страны. Сегодня в лОд работает 15 штатных сотрудников и 30 временно привлекаемых специалистов.
НАУЧНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ
Научно-техническая программа лаборатории нацелена на разработку оптических и лазерных методов приборов и систем для неразрушающего контроля промышленных изделий и технологических процессов. Важным направлением для ЛОД является неинвазивная медицинская диагностика с целью широкой про-
филактики в сфере здравоохранения и более эффективной клинической терапии.
Фундаментальные и прикладные исследования в ЛОД проводятся по самым различным направлениям — интерфероме-трическим, спеклометрическим и фотоакустическим методам неразрушающего контроля (НК) различных промышленных и биологических объектов. Изучается взаимодействие лазерных импульсов малой и сверхмалой длительности с биологическими тканями, а также неинвазивная медицинская диагностика с использованием методов флуоресцентного анализа и оптической когерентной томографии.
Особое место в деятельности лаборатории уделено фемтосе-кундной спектроскопии для применения в биологии и медицине. В этих целях ЛОД укомплектована лазерным сканирующим микроскопом, снабженным аргоновым, гелий-неоновым и фем-тосекундным лазерами. Он используется в качестве источника возбуждения для 4D-микроскопии, то есть флуоресцентной микроскопии с разрешением по пространству и по времени. Благодаря этому оборудованию стало возможно изучать зависимость времени жизни возбужденного состояния молекул зонда, вводимого в биологические структуры, от места внедрения, что дает бесценную информацию о внутреннем строении исследуемых объектов.
В настоящее время работа лаборатории направлена на изучение взаимодействия антираковых препаратов со здоровой и пораженной болезнью клетками. Используя методы лазерной сканирующей микроскопии, сотрудники ЛОД исследуют способ транспортировки антрациклиновых препаратов в межклеточном и внутриклеточном пространствах и его взаимодействие с внутриклеточными структурами. Эксперименты проводятся как в здоровых, так и в опухолевых клетках, а также в клетках миокарда (сердечной мышцы). В качестве капсул лекарственных препаратов будут последовательно использованы липосомы, обеспечивающие повышенную селективность доставки препаратов к раковым клеткам. Полученные результаты позволят углубить представления о механизмах противоопухолевого и кардиотоксического дей-
ствия антрациклиновых препаратов и оптимизировать их клиническое применение.
Используя такую микроскопию на самом передовом научном уровне, ученые изучат темы конформации белковых структур, маркированных флуоресцентными зондами, с целью выяснения их влияния на биологическую функцию; процессы транспорта полипептидов, вирусов и лекарственных препаратов из межклеточного пространства в клетку и их движение во внутриклеточной среде на молекулярном уровне. Перспективным является и исследование влияния нерезонансных лазерных полей на проницаемость клеточной мембраны и скорости биохимических процессов в клетке. Работы в этом направлении уже ведутся.
В ходе дальнейшей работы планируется развить оптические методы изучения транспорта биоструктур вне и внутриклеточном пространстве в условиях воздействия на клетку градиентных световых полей для изучения влияния лазерного излучения на функционирование клеток человека. Кроме того, имеющееся в лаборатории уникальное оборудование позволяет проводить работы по многофотонному возбуждению биологических объектов и наноразмерных структур, а также разработать методы фемтосекундного микромашининга, допускающего формирование отверстий и бороздок с идеальными краями как в твердых материалах, так и в тканях человека, что представляет существенный интерес для промышленности и клинической медицины.
В перспективе ЛОД — работа в области фемтосекундной лазерной абляции с целью создания вполне определенных фотонных кристаллов с заданными свойствами для их будущего практического использования. Впоследствии возможна разработка биосенсоров и наноразмерных устройств для диагностики различных заболеваний.
Большое внимание планируется уделить разработке и созданию нового поколения устройств и систем оптического не-разрушающего контроля на основе квазибездифракционных бесселевых световых пучков (БСП). Их замечательным свойством является практически отсутствие дифракционного рас-плывания центра пучка при распространении в однородных средах, а также самореконструкция пространственной структуры поля за различными препятствиями. Применение БСП даст возможность увеличить глубину зондирования рассеивающих сред при сохранении поперечной разрешающей способности в сравнении с аналогичным коммерческим оборудованием, традиционно используемым для НК. В частности, в лаборатории планируется разработка и создание оптического когерентного томографа, основанного на бесселевой оптике.
Уже сегодня в области неразрушающего контроля и диагностики новых технологий, основанных на использовании бесселевых лучей и конических световых пучков, получены любопытные результаты. Выявлено, что пространственно-геометрические (угловые) свойства бесселевых и конических световых лучей оптимальны для контроля формы поверхностей, близких к цилиндрическим и коническим. Световой пучок Бесселя по-
зволяет осуществлять продольно-однородное освещение контролируемых изделий большой длины. В результате оптический профилометр бесселева типа характеризуется высоким быстродействием и может быть использован для диагностики различных цилиндрических и конических изделий в процессе их производства. Предполагается, что в дальнейшем профиломе-тры бесселева типа будут востребованы как в отечественной промышленности, так и за рубежом.
В рамках тематики бесселевых световых пучков выделяются также исследования по удержанию и управлению с их помощью микрочастиц. Ожидается, что эти исследования приведут к созданию нового типа оптических пинцетов, перспективных в био- и нанотехнологиях для синтеза новых биологических структур. В частности, при разработке наноструктурированных биочипов для ранней диагностики раковых заболеваний.
Интересным направлением в развитии оптики БСП является работа над динамически управляемыми бесселевыми пучками и их суперпозициями на основе матрицы микрозеркал. Такая работа проводится совместно с немецкими коллегами, работающими в Дрезденском отделении международной лаборатории оптической диагностики. Динамически управляемые бСп перспективны во многих областях оптического НК, требующих быстродействия, гибкости и многофункциональности устройств диагностики.
По заказу германских коллег наша сторона проводит и другие исследования в области микрозеркал. Возникла идея применения этой технологии в метрологии для измерения микроструктур, изготовленных методом литографии. Белорусские ученые пытаются совместить микрозеркало с принципом интерферометрии. Соединение этих концепций позволит создать очень гибкий интерферометр, способный контролировать качество технологического процесса в реальном времени.
Важной отраслью в проводимых ЛОД исследованиях можно назвать гетеродинную и спекл-интерферометрию, позволяющую разрабатывать новые методы диагностики качества изделий электронной и оптической промышленности. В этой области получен ряд первоклассных результатов, положенных в основу новых партнерских проектов с немецкими коллегами. Большое внимание уделяется развитию солнечной энергетики, что особенно актуально для стран ЕС, чья экономика уже сейчас на 50% зависит от импорта энергоресурсов. Общая площадь солнечных коллекторов, установленных в странах ЕС, к концу 2004 г. достигала 13 млн 960 тыс. м2, а в мире превысила 150 млн м2. Ежегодный прирост площади солнечных коллекторов в Европе в среднем составляет около 12%. Для их изготовления используются сравнительно дешевые элементы из поликристаллического кремния. Важнейшая задача в производстве солнечных элементов — обеспечение контроля качества как исходного материала (пластин), так и готовых изделий. Наиболее опасными дефектами являются микротрещины и участки с высоким уровнем остаточных механических напряжений, в последующем приводящих к саморазрушению элементов. При современных требованиях к солнечным коллекторам допустимое число дефектных элементов составляет не более одного на ты-
№11(45)_2006 НАУКА И ИННОВАЦИИ
55
сячу, причем в процессе поточного выпуска на контроль качества отводится не более 1 секунды.
До настоящего времени не разработаны технологии, позволяющие быстро и с высокой степенью достоверности контролировать качество этих изделий в производственном цикле. Проведенные в ЛОД исследования показали перспективность использования гетеродинной интерферометрии как поликристаллических пластин, так и готовых солнечных ячеек. Учитывая результаты этих работ, немецкие партнеры предложили нашим ученым разработать метод контроля на основе гетеродинной интерферометрии, с чем ученые лаборатории успешно справились. Сейчас ведутся переговоры с представителями немецкой промышленности о финансировании проекта по внедрению белорусско-германской разработки в производство.
В перспективе сотрудники ЛОД планируют развивать исследования по взаимодействию высокоинтенсивных лазерных импульсов с атомными газовыми средами. Благодаря малой длительности импульсов (от нескольких фемтосекунд и выше), высокой яркости, когерентности и компактности будут разработаны генераторы когерентного коротковолнового излучения, играющие важную роль при создании интегральных электронных схем (с разрешением 0,1 рт и менее) для рентгеновских микроскопов, обеспечения высокого разрешения в системах неразрушающего контроля, оптической литографии и рентгеновской голографии.
Также в будущем возможно использование фемтосекундной лазерной техники для генерации сверхкоротких импульсов в те-рагерцовом диапазоне. Терагерцовая технология является уникальным методом неразрушающего и бесконтактного контроля быстропротекающих процессов в неорганических, биохимических и других материалах.
СТРАТЕГИЯ ВЫЖИВАНИЯ
Важной задачей для руководства ЛОД было и остается определение перспективных направлений научно-технической деятельности в области разработки новых технологий и устройств для нужд конкретных фирм и предприятий. Примерно через шесть лет со дня создания лаборатории оптической диагностики необходимо перейти на полное самофинансирование. Поэтому особое внимание уделяется исследованиям, способным в течение 3—5 лет обеспечить конкретные результаты. Так, идет работа над партнерскими проектами за рубежом, что способствует привлечению в Беларусь иностранных инвестиций. Кроме регулярного проекта МНТЦ Б-1065 ЛОД ведет три партнерских проекта с Фраунгоферовским институтом неразрушающего контроля, направленных на разработку методов лазерно-аккустиче-ской диагностики и инновационных измерительных систем для микроэлектроники на основе матриц микрозеркал. Выполнены 2 небольших прямых контракта с промышленными фирмами Германии. В стадии подготовки находятся 4 партнерских проекта по разработке инновационных методов оптической диагностики для промышленности и медицины.
Результаты научно-исследовательского труда специалистов ЛОД, в том числе объекты интеллектуальной собственности, используются белорусской и германской сторонами на равных правах, поскольку, по мнению руководителей лаборатории, зарубежное финансирование и наш научный опыт одинаково значимы.
Структура и организация работы позволяют лаборатории в меру своих возможностей сокращать утечку лучших научных кадров за рубеж, предоставляя научным сотрудникам не только достойную оплату труда, но и возможность заниматься наукой вместе с немецкими учеными, не теряя связь с Беларусью. Кроме того, белорусские и немецкие ученые постоянно обмениваются новейшей информацией, устраивая семинары и отправляя друг к другу специалистов на стажировку. Также у белорусской стороны появилась возможность использовать в своих исследованиях дорогостоящее оборудование партнеров.
Деятельность лаборатории оценивается специальным консультационно-наблюдательным советом, куда входят представители Национальной академии наук Беларуси, Фраунгоферовского общества Германии, Европейского Союза и Международного научно-технического центра. Очередное собрание Совета признало деятельность ЛОД в первой фазе успешной и выделило средства на следующие 1,5 года работы лаборатории. Это обеспечит белорусскую сторону необходимыми средствами для дальнейшего финансирования научных проектов, приобретения необходимого оборудования, а также для оплаты услуг внештатных специалистов, привлекаемых к сотрудничеству в рамках определенных научных проектов.
ЛОД создавалась как исследовательское учреждение, предполагающее долгосрочное и устойчивое сотрудничество ученых СНГ и западных стран в рамках единой белорусско-германской лаборатории. Сегодня можно смело говорить о том, что основные цели в организации ее деятельности и реализации поставленных научных задач достигнуты. Создание этой международной организации уже оправдано открывшимися перед белорусскими учеными возможностями интеграции в мировую науку и фактом укрепления научного имиджа на мировой научной арене.
Необходимо отметить, что немецкая сторона также довольна возможностями, представившимися благодаря сотрудничеству с белорусскими партнерами. Директор Фраунгоферовского института и директор германской части ЛОД профессор Михаэль Кренинг заявил, что немцы гордятся созданием первой международной лаборатории и появившейся возможностью заниматься сложными научными вопросами фундаментального и прикладного характера, решение которых может быть наилучшим образом достигнуто усилиями международного коллектива, работающего как единая многонациональная команда.
Ольга ТКАЧЕНКО
