Мы предложили то, чего еще никто не делал

Анатолий Снигирев, директор МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок “Мегасайенс”» и научный руководитель по направлению «Рентгеновская оптика» Балтийского федерального университета им. И. Канта, вошедший в топ-0,05% ученых мира по версии платформы ScholarGPS, рассказал в интервью о своих инновационных разработках в области рентгеновской оптики. Использование преломляющих линз вместо отражающих для фокусировки рентгеновских лучей открыло новые возможности в исследовании микрообъектов в биологии, медицине и материаловедении.
Разработки ученого позволили существенно повысить качество рентгенографии и микроскопии и достичь нанометрового уровня разрешения. В будущем профессор Снигирев планирует расширить диапазон применения своих методов.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Расскажите, пожалуйста, подробнее о разработанных вами рентгеновских линзах. В чем их уникальность и какие новые возможности они открывают для рентгеновской микроскопии?

— Уникальность наших рентгеновских линз заключается в принципиально новом подходе к фокусировке рентгеновских лучей. Сам Рентген, открыв рентгеновское излучение, пытался создавать для него линзы по аналогии с оптикой видимого света, то есть делать их выпуклыми. Однако это оказалось ошибкой. Мы обнаружили, что показатель преломления рентгеновских лучей, в отличие от видимого света, меньше единицы. Поэтому для их фокусировки нужны не выпуклые, а вогнутые линзы.

Но даже с учетом этого преломление рентгеновских лучей в веществе крайне слабое. Эффект от одной линзы был бы минимальным. Поэтому мы предложили составные линзы — набор из множества вогнутых линз, выстроенных в ряд. Каждая из них вносит небольшой вклад в преломление, но вместе они дают значительный эффект, достаточный для фокусировки пучка. Фактически мы просверлили ряд отверстий в алюминиевой пластине так, чтобы они работали как составная рентгеновская линза. Мы назвали эту технологию составными рентгеновскими линзами.

Это открыло принципиально новые возможности для рентгеновской микроскопии. Появилась возможность эффективно управлять ходом рентгеновских лучей, фокусировать их в пятно размером в нанометры. Стало возможным строить прецизионные рентгенооптические системы для микроскопии, томографии, спектроскопии с ультравысоким разрешением. По сути, наша разработка положила начало новому направлению — рентгеновской нанооптике.

— Какие новые методы фазоконтрастной рентгенографии и микроскопии вы разработали? Какие преимущества они дают по сравнению с традиционными методами визуализации?

— Мы разработали методы рентгеновской микроскопии, основанные на использовании фазового контраста. Он возникает за счет интерференции рентгеновских волн, прошедших через исследуемый объект. Из-за высокой когерентности синхротронного излучения и малого размера источника (около 10 микрон) волновой фронт при прохождении через образец «запоминает» информацию о фазовых сдвигах, происходящих даже в мягких тканях. Интерференция этих волн создает на детекторе контраст, который подчеркивает все неоднородности и границы между структурами объекта.

Преимущество такого подхода в том, что он визуализирует не только плотные ткани (например, кости), которые сильно поглощают излучение, как в традиционной рентгенографии, но и мягкие ткани: сосуды, нервы, мышцы. Фазово-контрастная микроскопия позволяет различать структуры, незаметные на обычных рентгеновских снимках из-за слабого поглощения.

Более того, совмещение фазового контраста с рентгеновской микроскопией и томографией дало нам возможность заглянуть внутрь объектов с беспрецедентной четкостью, вплоть до нанометровых деталей клеток и молекулярных комплексов. Мы получили инструмент для неразрушающего исследования трехмерной структуры биологических тканей, материалов, микрочипов с фантастическим разрешением. По сути, нам стали доступны такие детали микромира, которые раньше можно было увидеть только на срезах в электронных микроскопах. Но наш метод позволяет работать с целыми объектами без повреждения их структуры.

— Каковы основные сложности в фокусировке рентгеновского излучения и как ваши разработки в области рентгеновской оптики помогают их преодолеть?

— Главная проблема в том, что рентгеновские лучи крайне слабо взаимодействуют с веществом. Коэффициенты преломления для рентгена отличаются от единицы лишь в четвертом-пятом знаке после запятой. Это на порядки меньше, чем для видимого света. Поэтому традиционные оптические схемы тут практически бессильны: одна линза, даже идеально выполненная, почти не повлияет на ход лучей.

Мы решили эту проблему, предложив составные рентгеновские линзы. Это набор из множества параболических преломляющих элементов, выстроенных в линию. Каждый из них вносит крошечный вклад в фокусировку, но в сумме эти «кирпичики» дают весомый эффект, достаточный для управления пучком. Так мы добились того, что казалось невозможным,— возможности фокусировать рентген почти так же эффективно, как видимый свет.

Другое важное преимущество наших линз — они работают на просвет в отличие от традиционных зеркал и кристаллов, в которых используется отражение или дифракция. Это позволяет легко встраивать их в любые экспериментальные схемы, не меняя общей геометрии. Мы можем комбинировать линзы в так называемые трансфокаторы — прецизионные устройства для плавной перестройки фокуса. По сути, это аналог зум-объективов из обычной оптики. Сегодня трансфокаторы стали стандартным инструментом на всех ведущих синхротронах мира.

— Какие ключевые достижения были получены благодаря вашей работе на синхротронных источниках излучения? Как это повлияло на фундаментальные и прикладные исследования в различных областях науки?

— Во-первых, нам удалось реализовать фазово-контрастные методы визуализации на практике и продемонстрировать их уникальные возможности. Мы впервые показали, как с помощью фазового контраста можно различать мельчайшие детали мягких тканей, невидимых на обычных рентгеновских снимках. Например, в одной из первых работ мы визуализировали тромб в кровеносном сосуде с детализацией, намного превосходящей традиционную рентгенографию. Стало ясно, что фазово-контрастная микроскопия открывает новые горизонты в биомедицинских исследованиях.

Во-вторых, мы разработали и внедрили новые подходы к рентгеновской визуализации на основе преломляющей оптики — микроскопию и томографию с использованием составных линз и трансфокаторов. Стало возможным не только получать изображения, но и сканировать объекты с нанометровым разрешением, изучать их трехмерную структуру и химический состав. Эти методы нашли применение в самых разных областях: от материаловедения и микроэлектроники до биологии, медицины, геологии и археологии.

С их помощью изучают структуру белков и лекарственных молекул, анализируют свойства наноматериалов и композитов, исследуют ископаемые останки и геологические породы. По сути, мы дали ученым новый сверхточный инструмент, позволяющий в деталях разглядеть внутреннее устройство природных и искусственных объектов. Это открыло путь к пониманию фундаментальных основ строения вещества и к разработке новых материалов с заданными свойствами.

В-третьих, наши идеи и разработки в области рентгеновской оптики радикально повлияли на развитие экспериментальных станций на синхротронах. Сегодня трудно представить современную линию без использования преломляющей оптики. Трансфокаторы, зонные пластинки, составные линзы стали незаменимыми элементами оптических схем. Наши подходы легли в основу проектирования и создания станций нового поколения, оптимизированных именно под задачи рентгеновской микроскопии и нанодиагностики.

— В чем, на ваш взгляд, заключается главный прорыв в области рентгеновской оптики, совершенный благодаря вашим исследованиям? Какие перспективы это открывает для дальнейшего развития данной области?

— На мой взгляд, главный прорыв, который нам удалось совершить в области рентгеновской оптики, заключается в объединении возможностей преломляющей оптики и новых синхротронных источников излучения. Мы показали, что с помощью составных линз и трансфокаторов можно эффективно управлять рентгеновским пучком, фокусировать его в пятно размером в нанометры и применять для сверхвысокоразрешающей микроскопии и томографии.

Это открыло путь к визуализации внутренней структуры объектов с беспрецедентной четкостью — от отдельных биологических клеток и тканей до наноматериалов и микрочипов. Например, сейчас в Европейском центре синхротронного излучения (ESRF) работает станция иерархической визуализации, которая позволяет исследовать крупные объекты, такие как целое легкое или археологический артефакт, с последовательным «зумированием» — сначала получить общий план, затем выбрать интересующую область и изучить ее в микронном и нанометровом масштабе.

Это настоящий прорыв для биомедицины, материаловедения, геологии и многих других областей. Появилась возможность исследовать структуру и свойства самых разных объектов в их естественном состоянии, без повреждений и специальной подготовки. Открываются перспективы для понимания фундаментальных основ строения вещества, для разработки новых материалов с заданными свойствами, для ранней медицинской диагностики и прецизионной терапии.

Важно и то, что развитие рентгеновской оптики позволяет нам, с одной стороны, создавать новые экспериментальные методы и инструменты, а с другой — заниматься фундаментальными исследованиями в области физики конденсированного состояния. Улучшая качество и разрешение преломляющей оптики, мы неизбежно сталкиваемся с необходимостью глубже понять и научиться контролировать структуру вещества на нанометровом уровне. Это крайне важно сегодня, в эпоху развития нанотехнологий.

Поэтому я считаю, что главная перспектива, которую открывают наши разработки,— это выход рентгеновской оптики и микроскопии на совершенно новый уровень разрешения, чувствительности и функциональности. Благодаря преломляющим элементам и современным синхротронам мы можем заглянуть внутрь материи с недоступной ранее детальностью и извлечь уникальную информацию. Это мощнейший инструмент для развития самых разных областей науки и технологии.

— Как вы оцениваете потенциал практического применения разработанных вами методов рентгеновской визуализации в медицине, материаловедении и других областях?

— Потенциал практического применения разработанных нами методов рентгеновской визуализации, несомненно, огромен. Они уже находят применение в медицине, материаловедении, химии, геологии, археологии и других областях. С их помощью получают уникальные данные о структуре и свойствах биологических тканей, наноматериалов, минералов, промышленных изделий и т. д.

В медицине фазово-контрастная микроскопия и томография позволяют визуализировать клетки, ткани и органы с микронным и нанометровым разрешением, различать здоровые и пораженные участки, анализировать распределение лекарств в организме. Это открывает новые возможности для диагностики и терапии онкологических, сердечно-сосудистых и многих других заболеваний. Например, мы смогли визуализировать тромб в артерии с детальностью, недоступной обычной рентгенографии.

В материаловедении наши методы позволяют исследовать структуру, дефекты и химический состав самых разных материалов — от сталей и сплавов до полимеров и композитов. Это важно для разработки новых конструкционных и функциональных материалов с улучшенными свойствами, для контроля качества промышленных изделий, для анализа происходящих в материалах процессов.

Для России развитие этого направления имеет стратегическое значение. У нас создаются и проектируются установки класса «Мегасайенс» — синхротрон СКИФ в Новосибирске, комплекс СИЛА в Москве. Там планируется широко использовать разработанную нами преломляющую оптику и методы визуализации. Первые станции СКИФ уже оснащаются нашими трансфокаторами.

Мы работаем в тесном контакте с Курчатовским институтом, Институтом ядерной физики СО РАН и другими ведущими научными центрами. Производство составных рентгеновских линз освоено в Балтийском федеральном университете. Для оптики наноразрешения мы используем преломляющие линзы из кремния — их разработка ведется совместно с Институтом проблем технологии микроэлектроники РАН, где созданы соответствующие технологические процессы.

Перспективным материалом для оптики является и алмаз. Сейчас Россия является мировым лидером по качеству и размерам синтезируемых монокристаллов алмаза. Мы взаимодействуем с ведущими производителями — такими как компании New Diamond Technology, «Алмазные технологии» в Новосибирске. Планируем сотрудничество с недавно созданным Алмазным центром при Институте физики высоких давлений РАН.

Важно, что многие методы и подходы, развитые нами для синхротронов, находят применение и в лабораторных условиях. Например, трансфокаторы теперь используются в коммерческих рентгеновских микроскопах ведущих производителей. Фазово-контрастная визуализация тканей реализуется на компактных источниках излучения. Это выводит нашу работу за рамки сугубо академической науки и делает ее важным фактором технологического развития.

Так что разработанные нами методы рентгеновской оптики и микроскопии уже вносят заметный вклад в развитие науки и наукоемких технологий в нашей стране. Со вводом в строй новых синхротронов и развитием экспериментальной базы их востребованность и круг приложений будут только возрастать. Здесь есть большой потенциал не только для фундаментальных исследований, но и для практических применений в самых разных сферах — от здравоохранения до высокотехнологичной промышленности. И мы готовы активно работать в этом направлении, предоставляя российским ученым и технологам самые современные и эффективные инструменты для рентгеновских исследований.

— Какие направления исследований в области рентгеновской оптики и синхротронного излучения вы считаете наиболее перспективными на данный момент? Над чем вы работаете сейчас?

— Если говорить о наиболее перспективных направлениях в области рентгеновской оптики и использования синхротронного излучения, то я бы выделил несколько моментов. Во-первых, это дальнейшее повышение разрешения оптических элементов и микроскопов. Сейчас мы вплотную приблизились к рубежу 10 нанометров, но хочется пойти еще дальше, в область единиц нанометров. Для этого нужно развивать новые подходы — использовать многослойные структуры, метаматериалы, новые схемы освещения и регистрации. Фактически стоит задача достичь предела разрешения, превышающего критерий Аббе для рентгеновского диапазона длин волн.

Во-вторых, большие перспективы связаны с разработкой и применением оптических элементов из новых материалов. В частности, нас очень интересует алмаз. Он обладает уникальным сочетанием свойств — высокой плотностью и механической прочностью, низким атомным номером (углерод), высокой теплопроводностью. Поэтому алмазные линзы имеют большой потенциал для фокусировки излучения, особенно в условиях больших тепловых нагрузок, характерных для современных синхротронов и лазеров на свободных электронах.

Недавно мы начали сотрудничество с японской группой профессора Йоримацу, которая разработала технологию получения нанокристаллических алмазных пластин. Они представляют собой квазиаморфный материал, сочетающий свойства алмаза и изотропность, присущую стеклу. Мы уже изготовили из них первые образцы преломляющей оптики и показали их работоспособность. Сейчас эта технология только в начале пути, но она открывает новые возможности для управления излучением.

Если говорить о наших текущих работах, то мы продолжаем развивать методы фазово-контрастной микроскопии и томографии. В частности, большое внимание уделяется количественным методам, позволяющим извлекать из измеряемых данных объективные характеристики образца: показатель преломления, плотность, элементный состав. Для этого мы комбинируем фазово-контрастные измерения с рентгеновской флуоресценцией, дифракцией, спектроскопией поглощения.

Много интересных результатов получено при исследовании объектов культурного наследия — картин, изделий из керамики и стекла, окаменелостей и др. Здесь методы рентгеновской 3D-микроскопии позволяют заглянуть внутрь образца, не повреждая его, увидеть внутреннюю структуру, проследить пространственное распределение химических элементов. Это дает ценную информацию об истории и технологии создания артефактов, помогает выявлять скрытые дефекты и подделки.

Если заглядывать в будущее, то можно ожидать революционных изменений в нашей области, связанных со вводом в строй синхротронов и лазеров на свободных электронах нового поколения. Они будут иметь рекордные характеристики по яркости, временному разрешению, когерентности. Соответственно, потребуются и новые оптические схемы, адаптированные к экстремальным параметрам излучения. Уже сейчас мы работаем над элементами оптики для European XFEL, швейцарского лазера SwissFEL, разрабатываем проекты для будущих российских установок СКИФ и СИЛА. Так что нас ждет еще много интересной работы, новых достижений и открытий.

— Вы являетесь автором более 400 научных публикаций в престижных журналах. Какие из своих работ вы считаете наиболее значимыми и почему?

— Из нашего большого списка публикаций я бы выделил несколько работ, которые, на мой взгляд, внесли наиболее существенный вклад в развитие методов рентгеновской оптики и микроскопии.

Во-первых, это две статьи, вышедшие практически одновременно и заложившие основу наших исследований. Первая была посвящена фазово-контрастной рентгенографии. Мы экспериментально показали, что высокая когерентность синхротронного излучения позволяет реализовать фазовый контраст даже на простейших объектах. Это фактически перевернуло наши представления о возможностях рентгенографии. Вторая работа — это собственно идея и реализация составных преломляющих линз из бериллия. Сама по себе она довольно простая — мы просто просверлили серию отверстий в металле. Но это был первый шаг к новой оптике, определивший развитие всей области.

Следующая значимая работа, выполненная уже с нашими европейскими коллегами,— это демонстрация детектора с микронным разрешением. Фактически мы показали, что и в рентгеновском диапазоне можно реализовать схему классического оптического микроскопа, где изображение формируется объективом и регистрируется на цифровую камеру. Сегодня это стандартный подход, используемый практически на всех синхротронных станциях.

Еще одна важная веха — это идея и реализация трансфокаторов, интегрированных систем преломляющих линз, позволяющих быстро и точно менять фокусное расстояние. Для нас это была очередная простая идея, но она оказала большое влияние на всю область. Трансфокаторы стали стандартным элементом современных синхротронных станций. Любопытно, что сам термин «трансфокатор» пришел из немецкого языка и поначалу вызывал отторжение у англоязычных коллег. Но постепенно они с ним смирились, и сегодня это общепринятое название.

Большое значение имели наши работы по комбинации фазово-контрастных методов с другими методиками анализа — флуоресцентной, дифракционной, спектроскопической. Мы показали, что такой комплексный подход дает гораздо больше информации об образце и позволяет связывать его структуру с химическим составом, электронными свойствами. Яркий пример — исследование микрочастиц, выпавших после аварии на Чернобыльской АЭС. С помощью нашей методики мы смогли определить распределение элементов и изотопов в отдельных частицах размером в десятки микрон.

Наконец, я особо отмечу цикл работ по применению преломляющей оптики на синхротронных станциях. Мы показали, что такая оптика легко интегрируется практически в любую экспериментальную схему и дает существенный выигрыш в интенсивности, разрешении, возможностях визуализации образца. Именно наш дизайн, впервые реализованный на станции ID-6 ESRF, лег в основу большинства современных станций для микроскопии и визуализации. Кстати, подобные станции сейчас проектируются и для новых российских синхротронов — СКИФ в Новосибирске и СИЛА в Протвино.

Так что, если попытаться обобщить, главными я считаю наши работы, которые привели к созданию и развитию качественно новых, прорывных методов в области рентгеновской оптики и микроскопии. Это были относительно простые, но при этом глубокие и продуктивные идеи, которые изменили инструментарий и возможности рентгеновских исследований. Именно такие работы, сочетающие фундаментальность и практическую значимость, меня всегда привлекали больше всего. И я рад, что нам удалось реализовать задуманное и увидеть, как это работает на практике.

— Расскажите, пожалуйста, о роли синхротронного излучения в ваших исследованиях. Какие уникальные возможности оно предоставляет для изучения структуры и свойств материалов?

— Фактически все наши основные результаты и разработки были получены именно на синхротронах третьего поколения. Синхротрон — это уникальный источник рентгеновских лучей, обладающий целым рядом преимуществ по сравнению с традиционными рентгеновскими трубками.

Во-первых, синхротронное излучение обладает чрезвычайно высокой яркостью и интенсивностью. Это позволяет проводить эксперименты, которые в принципе невозможны на обычных источниках,— изучать тонкие пленки, наноматериалы, биологические микрообъекты.

Во-вторых, синхротронный пучок очень узконаправлен, его угловая расходимость составляет всего десятки микрорадиан. При этом размер источника — всего несколько микрон. Такой пучок можно легко сфокусировать в пятно нанометровых размеров и использовать для сканирующей микроскопии сверхвысокого разрешения.

В-третьих, синхротронное излучение обладает высокой степенью когерентности. Это значит, что волновой фронт излучения упорядочен, и это позволяет наблюдать эффекты интерференции и фазового контраста, недоступные в обычных условиях. По сути, это открывает дверь в мир рентгеновской оптики, позволяет создавать рентгеновские линзы, интерферометры, голограммы.

Наконец, энергетический спектр синхротронного излучения легко перестраивается в широких пределах. Это значит, что на одной установке можно проводить эксперименты с излучением разных длин волн, менять контрастность изображения, проводить спектральные измерения.

Все эти уникальные свойства синхротронного излучения мы активно использовали в своих исследованиях. Именно они позволили нам предложить и реализовать принципиально новые подходы в рентгеновской оптике и микроскопии: составные линзы, фазово-контрастные методы, трансфокаторы. Без использования синхротронов о таких разработках нельзя было бы и мечтать.

Сейчас синхротронное излучение широко используется для изучения структуры и свойств самых разных материалов: от монокристаллов и керамик до полимеров и биомолекул. С его помощью исследуют трехмерную структуру объектов с нанометровым разрешением, изучают химический состав, электронные и магнитные свойства, проводят динамические измерения в реальном времени. Фактически во всех этих исследованиях в той или иной степени используются методы и подходы рентгеновской оптики, развитые в том числе и в наших работах. Так что без преувеличения можно сказать, что синхротронное излучение произвело революцию в современном материаловедении и нанодиагностике, и наши исследования являются неотъемлемой частью этого процесса.

— Каким образом разработанные вами методы рентгеновской визуализации могут помочь в изучении биологических объектов и процессов? Есть ли уже примеры успешного применения этих методов в биомедицинских исследованиях?

— Разработанные нами методы рентгеновской визуализации находят все более широкое применение в изучении биологических объектов и процессов. С их помощью удается получать уникальную информацию о структуре и функционировании живых систем на клеточном и субклеточном уровне.

Один из ярких примеров — использование фазово-контрастной микроскопии для исследования морфологии и динамики клеток. За счет чувствительности к градиентам плотности этот метод позволяет визуализировать внутриклеточные структуры — ядро, органеллы, мембраны — без использования контрастирующих веществ. Можно изучать клетки в их естественном состоянии, следить за процессами деления, дифференцировки, взаимодействия с подложкой или другими клетками.

Другое важное направление — томографические исследования биотканей и органов. Используя наши методы, можно получать трехмерные изображения образцов с пространственным разрешением вплоть до десятков нанометров. Это позволяет изучать тонкую структуру костной, мышечной, нервной ткани, выявлять патологические изменения на ранних стадиях развития.

Такие исследования уже проводятся на многих синхротронных центрах мира. Например, в Европейской молекулярной биологической лаборатории на синхротроне PETRA III успешно применяют наши методы для изучения структуры белковых кристаллов. В Гренобле на ESRF с помощью фазового контраста исследовали структурные изменения в тканях легких, вызванные COVID-19.

У нас в России тоже есть хорошие примеры. В частности, на Курчатовском источнике синхротронного излучения проводятся исследования по рентгеновской визуализации кровеносных сосудов, костных имплантатов, структуры миокарда и других тканей. Все эти работы стали возможны благодаря использованию разработанной нами оптики и методов.

Отдельно отмечу нашу совместную работу с норвежскими коллегами, посвященную исследованию микрочастиц, выпавших после аварии на Чернобыльской АЭС. Используя уникальное сочетание рентгеновской микроскопии, флуоресцентного анализа и томографии, мы смогли определить структуру, элементный и изотопный состав отдельных частиц размером в десятки микрон. Такая информация крайне важна для понимания механизмов воздействия радионуклидов на живые организмы и экосистемы.

Подобных примеров можно привести еще много. По сути, сегодня методы рентгеновской визуализации стали незаменимым инструментом в арсенале биологов и медиков. С их помощью исследуют процессы биоминерализации, изучают строение и функции биомембран, анализируют действие лекарственных препаратов, разрабатывают новые биосовместимые материалы. Многие передовые биомедицинские разработки — от тканевой инженерии до адресной доставки лекарств — уже не мыслятся без использования синхротронных исследований на микро- и наноуровне.

И я уверен, что с развитием источников синхротронного излучения, детекторов и оптических элементов область применения наших методов в биомедицине будет только расширяться. Ведь именно на стыке физики, химии и биологии сегодня происходят самые интересные открытия, способные качественно изменить нашу жизнь. И мы рады, что разработки нашей группы в области рентгеновской оптики вносят свой вклад в этот процесс.

— Как вы думаете, какое влияние ваши разработки в области рентгеновской оптики окажут на будущее развитие таких установок «Мегасайенс», как синхротроны и лазеры на свободных электронах?

— Судите сами. Сегодня во всем мире идут активное строительство и проектирование синхротронов и ЛСЭ нового поколения. Они будут иметь рекордные параметры по яркости, когерентности, энергетическому диапазону излучения. Чтобы реализовать эти параметры в экспериментах, нужна соответствующая оптика — системы формирования, фокусировки и транспортировки пучков. И здесь наши разработки — составные линзы, трансфокаторы, оптика из новых материалов — будут играть ключевую роль.

Уже сейчас наши трансфокаторы и преломляющие линзы используются практически на всех экспериментальных станциях ведущих синхротронов мира. Без них невозможно представить современную рентгеновскую микроскопию, томографию, дифракционный анализ. На новых источниках требования к оптическим элементам будут еще выше: нужна будет более точная фокусировка, лучшая эффективность, устойчивость к большим тепловым нагрузкам. И мы активно работаем над решением этих задач.

В частности, большие перспективы мы связываем с оптикой на основе алмаза. Благодаря уникальному сочетанию плотности, теплопроводности и радиационной стойкости алмаз является идеальным материалом для работы с мощными пучками синхротронного и лазерного излучения. Первые алмазные линзы уже продемонстрировали свою эффективность, сейчас мы работаем над улучшением их характеристик и масштабированием технологии.

Другая многообещающая разработка — это так называемые адаптивные оптические элементы. Речь идет о фокусирующих устройствах, параметры которых (фокусное расстояние, форма пучка) могут динамически меняться с помощью внешних воздействий. Это особенно важно для рентгеновских лазеров, где каждый импульс излучения уникален и требует оперативной подстройки оптической системы. Определенных успехов здесь удалось добиться, используя преломляющую оптику в сочетании с системами обратной связи. В перспективе такой адаптивной оптикой будут оснащаться целые экспериментальные станции.

Стоит также отметить нашу работу в области дифракционной и интерференционной оптики. Мы разрабатываем новые подходы к изготовлению высокоэффективных зонных пластинок, линз Френеля, интерферометров на основе преломляющих линз. Это открывает новые возможности для рентгеновской нанодиагностики и наноскопии, в том числе с использованием эффектов фазового контраста и когерентного рассеяния.

Все эти разработки, начатые с использованием синхротронов третьего поколения, сейчас выходят на новый уровень. Мы адаптируем их к экстремальным параметрам синхротронов и лазеров четвертого поколения, разрабатываем для них специализированные оптические схемы и элементы. По сути, речь идет о создании новой экспериментальной базы для установок «Мегасайенс», и наша группа играет здесь одну из ключевых ролей. Фактически мы закладываем научно-технический фундамент для будущих исследований на синхротронах и ЛСЭ, и от успеха нашей работы во многом зависят перспективы их развития и использования.

— Вы являетесь научным руководителем по направлению рентгеновской оптики. Какие задачи стоят перед вашей исследовательской группой и каких результатов вы планируете достичь в ближайшем будущем?

— Нашу основную задачу я вижу в том, чтобы обеспечить качественно новые возможности для проведения синхротронных исследований как в России, так и за рубежом. Речь идет о создании уникального научного инструментария — оптических элементов, систем, методик, позволяющих максимально эффективно использовать имеющиеся и будущие источники синхротронного излучения.

В краткосрочной перспективе наши ключевые задачи связаны с разработкой оптики для экспериментальных станций строящегося синхротрона четвертого поколения СКИФ в Новосибирске и будущего комплекса СИЛА в Протвино. Мы уже сделали и поставили первые трансфокаторы для СКИФ, в этом году планируется изготовить и протестировать вторую очередь. Кроме того, мы разрабатываем для этих источников новые оптические схемы на основе составных преломляющих линз с адаптивной подстройкой, которые позволят формировать пучки с заданными параметрами.

Если говорить о среднесрочных и долгосрочных планах, то здесь мы ставим перед собой достаточно амбициозные цели. Во-первых, мы хотим продвинуться в область субнанометрового пространственного разрешения в рентгеновской микроскопии. Сегодня дифракционный предел разрешения рентгеновской оптики составляет порядка 10 нанометров, что уже является огромным достижением. Но мы считаем, что возможности для его улучшения еще не исчерпаны. Для этого нужно использовать новые оптические схемы и материалы, например, многослойные зонные пластинки, метаповерхности, структуры из высокопреломляющих материалов. В сочетании с алгоритмами сверхразрешения и методами когерентной дифракционной визуализации это может дать нам беспрецедентную детальность изображений, вплоть до отдельных биомолекул и атомных кластеров.

Вторая стратегическая задача — это распространение наших подходов на другие диапазоны электромагнитного спектра. Сейчас мы в основном работаем с жестким рентгеновским излучением с энергиями порядка 10–100 кэВ. Но нам очень интересны и более мягкие диапазоны — так называемое окно прозрачности воды, где лежат K-края поглощения углерода, азота, кислорода. Это ключевые элементы для биологических объектов, и здесь открываются уникальные возможности для их исследования в естественных условиях. С другой стороны, нас привлекает и область более жесткого гамма-излучения, где потенциально достижимы еще более высокие значения пространственного разрешения. Определенные наработки в этих направлениях у нас уже есть, сейчас мы активно развиваем сотрудничество с ведущими российскими и зарубежными группами, разрабатывающими источники излучения терагерцевого и гамма-диапазона.

Нельзя не упомянуть и наши усилия по внедрению разработанных элементов и методов в прикладных исследованиях. Мы активно сотрудничаем с группами, занимающимися структурной биологией, исследованиями культурного наследия, материаловедением. Вместе с ними адаптируем наши инструменты под конкретные научные и технологические задачи: от определения структуры вирусных белков до неразрушающего анализа археологических находок. В ближайших планах — участие в программах по разработке новых лекарств, биосовместимых материалов, функциональных покрытий.

Подготовлено при поддержке пресс-службы БФУ им. Иммануила Канта