Ученый научно-образовательного центра “Российская Арктика”, профессор кафедры фундаментальной и прикладной физики Северного Арктического федерального университета Дмитрий Макаров разработал новые методы диагностики сложных нано- и биосистем. Они основаны на исследовании взаимодействия ультракоротких лазерных импульсов со сложными материалами для определения структуры их молекул, в том числе в динамике.
“До этого мы могли статические системы определять: вот молекула, вот ее структура, а здесь мы можем определить, как атомы в течение времени образовывали эту молекулу. И как раз я этим занимаюсь, там достаточно много научных проблем и неточностей в понимании того, как это все происходит. Я разрабатывал эту теорию, была разработана более точная теория, методики, подходы, с помощью которых можно расшифровывать не просто структуру, а как образуются эти сложные молекулы”, – рассказал ТАСС Макаров.
Метод использует рентгеноструктурный анализ сверхвысокого разрешения. Немецкий физик, лауреат Нобелевской премии по физике в 1914 году Макс фон Лауэ открыл дифракцию (отклонение от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий) рентгеновских лучей на кристаллах. В итоге получается та или иная картинка. Фон Лауэ доказал, что она несет информацию о структуре вещества, показывает, как атомы размещены в пространстве. Это был серьезный прорыв в науке, и ученые достаточно быстро определили кристаллические структуры простых веществ, например, железа.
В середине ХХ века было доказано, что при помощи рентгеноструктурного анализа можно определять, как расположены атомы в сложных молекулах, таких как ДНК и белки. Технология расшифровки постоянно совершенствуется. В настоящее время стали использовать не просто рентгеновские лучи, а рентгеновские лазеры, которые дают серию ультракоротких вспышек.
“И с его помощью мы можем определять не просто структуру очень хорошо, где находятся атомы, а можем определить даже то, как образуются эти атомы, как они объединяются. Мы показали, например, как различные тринуклеотиды могут образовываться с помощью этих ультракоротких импульсов”, – пояснил Макаров.
Нуклеотиды – это группа органических соединений, которые играют важную роль в энергетических и информационных внутриклеточных процессах, а также являются составляющими частями нуклеиновых кислот и многих коферментов.
“Все картинки ДНК, белковых молекул, которые мы видим, это симуляции. Реальность более сложная. Эта методика, которой я занимался, с помощью нее можно расшифровывать настоящие, реальные молекулы. Структуру реальных молекул, не моделей, мы можем увидеть реальную структуру сложных нано- и биосистем. И не только реальную структуру, но и как эти молекулы объединяются или разрушаются”, – уточнил физик.
В динамике картину позволяет увидеть серия вспышек лазера, с каждой вспышкой она меняется. “Картина меняется почти мгновенно, технически это сложно отследить, но это можно отслеживать”, – добавил он.
Исследование алмаза
Методика также позволяет исследовать энви-центры (NV-центры, азото-вакансионные, или азото-замещенные центры) в искусственно выращенных алмазах. При этом в структуру кристалла внедряются атомы азота и выбиваются атомы углерода, возникает нарушение строения кристаллической решетки алмаза, образовавшиеся вакансии связываются с атомами азота.
Монокристаллические алмазные пластины, производство которых будет открыто в Архангельске, будут использоваться в квантовых технологиях. Для их применения нужно знать, сколько энви-центров в каждой пластине находится, где они расположены и как ориентированы.
“Как оказалось, методик определения ориентации энви-центров и их концентраций в структуре алмаза практически нет. Это очень сложно технически сделать, все методики несколько косвенные, они не говорят точно, сколько там энви-центров, как они ориентированы. Так вот, этот подход может очень точно сказать, как ориентированы энви-центры и их концентрацию”, – объяснил Макаров.
О НОЦ
В декабре 2020 года правительство России поддержало создание НОЦ “Российская Арктика”. В его работе участвуют Архангельская и Мурманская области, а также Ненецкий автономный округ. НОЦ нацелен на реализацию новых технологических проектов, внедрение новых материалов и технологий, а также проведение исследований, обеспечивающих конкурентоспособность и мировой уровень исследований и разработок. Кроме того, в задачи центра входит подготовка кадров для решения крупных научно-технологических задач региона в интересах промышленности и экономики российской Арктики.