Работы на конкурс «Моя лаборатория», который в рамках Олимпиады проводит программа «Мастерские инноваций» ФИОП РОСНАНО, будут приниматься до 15 февраля. В рамках проекта наши корреспонденты побывали на кафедре полимеров и кристаллов физического факультета МГУ.
На кафедре полимеров и кристаллов физического факультета МГУ, которую возглавляет проректор университета, академик Алексей Хохлов, работают более десятка лабораторий. В лаборатории жидких кристаллов проводят исследования, необходимые для разработки новых моделей мониторов и дисплеев. «Если использовать технологию, которую мы предлагаем, можно сэкономить энергию, которую дает одна атомная электростанция – если представить, что одновременно работают все мониторы страны», - рассказывает ведущий научный сотрудник кафедры Александр Емельяненко. С теми жидкими кристаллами, которые сейчас используются для создания дисплеев, экономить невозможно – они слишком медленные. Но ученые знают путь к решению этой проблемы. «Нужен совершенно другой класс материалов, которые называются «смектики», наиболее упорядоченные жидкие кристаллы - но пока они неустойчивы к механическому воздействию (нажатию на монитор, транспортировке и т.д.). Устойчивые ко всем этим факторам смектические материалы уже разработаны, но для их внедрения в производство дисплеев требуется время», - говорит он.
Магнитооптическая установка для исследования жидких кристаллов должна быть больших размеров, чтобы создавать управляемое магнитное поле
Другое направление исследований – жидкие кристаллы, «запоминающие» изображение. «Когда мы включаем монитор, он поддерживает картинку ровно столько, сколько мы подводим электроэнергию, но когда мы выключаем напряжение – картинка исчезает. Но есть такие жидкие кристаллы, которые требуют электроэнергию только для того, чтобы переключить картинку. Они будут сколь угодно долго хранить картинку без потребления энергии», - говорит Емельяненко.
Такое уникальное свойство жидких кристаллов используется для создания электронной бумаги, электронных рекламных щитов. Особенно актуальны в нынешней экономической ситуации электронные ценники, шутит Емельяненко. «Чтобы продавцы не ходили и не переписывали ценники, можно просто с пульта управления управлять ими», - отмечает ученый.
Российский микроскоп для изучения жидких кристаллов ничуть не уступает импортным
Третье направление исследований – сенсоры на жидких кристаллах. Жидкие кристаллы обладают промежуточными свойствами между свойствами жидкости и твердого тела. Они текут как жидкость, но их оптические свойства могут изменяться при изменении химического состава жидкости, в которой необходимо найти вредные примеси. «Для того чтобы найти вредные примеси, мы просто растворяем в этой жидкости капли жидкого кристалла, и на поверхности этих капель жидкий кристалл ориентируется по-разному, в зависимости от того, есть примесь или нет», - рассказывает Емельяненко. Такие свойства жидких кристаллов можно использовать при ликвидации последствий выбросов на химических заводах.
Старинные механические весы 1954 года измеряют вес до 0,001 грамма
«Мы увидим глазами количество примесей. Можно измерить интенсивность или спектральный состав света, который мы видим при отражении от взятой пробы воды, в которой растворен жидкий кристалл. У нас есть шкала для определения процента примеси. Желтый – одно количество процентов примеси, красный – другое и т.п.», - объясняет ученый-физик. Общий принцип детектирования примесей на жидких кристаллах – идея новая, и соответствующие исследования сейчас проводятся не только в России, но и в Японии, Германии и США.
Сотрудник лаборатории показывает сделанную учеными физфака электрооптическую установку, где помещается жидкий кристалл
Использование жидких кристаллов как детекторов очень разнообразно. «Допустим, где-то произошел обрыв кабеля, который находится в земле, и неизвестно, где этот обрыв произошел – можно, не раскапывая этот кабель, пройти с прибором, в работу которого заложен принцип электромагнитного воздействия на молекулы жидкого кристалла, и он покажет, где какое поле создается. Если поле есть, значит, этот кабель не поврежден. Проверяем другой кабель. Это гораздо быстрее, чем просто копать везде», - привел пример Емельяненко.
Александр Емельяненко надеется, что исследования жидких кристаллов будут востребованы в России
Правда, в России исследования лаборатории пока не очень востребованы – производить жидкокристаллические дисплеи в Китае сейчас дешевле, чем в России.
Зондовый микроскоп больше похож на проигрыватель с иглой
А вот фундаментальные достижения другой лаборатории физфака – лаборатории сканирующей зондовой микроскопии – уже послужили практическим целям борьбы с вирусами и бактериями. Методы зондовой микроскопии позволяют не только наблюдать атомы и молекулы, но и воздействовать на них. «Мы проводим исследования свойств и морфологии вирусов растений и человека, наша задача – обнаруживать маленькие концентрации вирусов в воздушной среде, определять, какой это вирус, какой штамм, давать рекомендации, насколько эти вирусы опасны. Величина вируса – 30 нанометров, это такая маленькая ничтожная наночастица, но когда она попадает в человека, животное или растение, она использует весь генетический механизм живого существа, который начинает воспроизводить миллионы, миллиарды, десятки миллиардов этих наночастиц – так происходит вирусное заболевание», - рассказывает руководитель направления сканирующей зондовой микроскопии, профессор Игорь Яминский. Физики координируют свою деятельность с биологами: сотрудниками кафедры вирусологии биологического факультета МГУ и НИИ физико-химической биологии им А.Н.Белозерского
Таким можно увидеть вирус под микроскопом
Лаборатория имеет научные контракты с компанией LG Electronics – ученые придумывают физические методы, как проверить бытовую технику, которая производится компанией – кондиционеры, холодильники, очистители воды – на наличие вирусов. «Кондиционеры становятся инкубаторами для бактерий – там влажный воздух, тепло, конденсаты воды, то есть идеальные условия для их размножения. В США была печальная история, когда почти сразу после съезда пожилых людей - легионеров, более двухсот человек из них заболело, а 34 заболевших умерли. Виной этому стала бактерия – в честь этого случая ее назвали легионеллой, она размножалась необычайно быстро, и сам кондиционер ее распылял – фактически действовал как биологическое оружие», - рассказал ученый. После этого покрытия для кондиционеров стали делать так, чтобы бактерии не росли, брать для производства гидрофобные поверхности, где бактерии не задерживаются, не растут. Каждый раз, когда создаются новые бытовые приборы, их надо проверять на вирусы, бактерии. Даже можно сделать так, чтобы бытовые приборы улавливали вирусы и оповещали об их наличии. «Если мы должны узнать, сколько в кубометре воздуха вирусов, мы забираем пробу воздуха, воздух перегоняем в воду, в воде помещаем подложку с рецепторами вируса. Вирус на подложке ощупываем иглой микроскопа с радиусом острия менее одного нанометра, подсчитываем число закрепленных на рецепторах вирусных частиц, на основании данных подсчета делаем вывод о разновидности вируса», - описывает процесс ученый.
Игорь Яминский демонстрирует, как обнаружить вирусы
Многие микроскопы лаборатории изготавливаются ее сотрудниками. Начиная с первого курса студенты уже могут заниматься практической работой – придумывать и разрабатывать новые типы микроскопов. Эти микроскопы востребованы в исследовательских институтах и научных центрах.
Не только студенты, но и школьники могут активно заниматься научными исследованиями в лаборатории и в созданном на её основе Центре молодежного инновационного творчества «Нанотехнологии». Там студенты и школьники могут учиться применять в научных исследованиях не только сканирующие зондовые микроскопы, но 3D-принтеры, 3D-сканеры и обрабатывающие центры. Особенно школьникам нравится работать на цифровом фрезерном центре, с помощью которого можно делать трехмерные фигурки и эмблемы. Школьники с большим интересом участвуют в конкурсе «Мой первый завод»: они рассказывают о продукции, которую будут выпускать заводы, когда они станут их директорами. Игорь Яминский уверен, что во главе многих российских заводов по производству высокотехнологичной и конкурентной продукции будут стоять именно выпускники физфака.
На цифровом фрезерном центре вытачивают герб России
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Напоминаем Вам, что в рамках Олимпиады проходит творческий конкурс "Моя лаборатория". Участвовать в конкурсе могут студенты, аспиранты, молодые ученые, специалисты и журналисты.
На конкурс принимаются научно-популярные статьи, посвященные работе научной лаборатории, научному обмену или любым другим аспектам научной деятельности. Текст должен быть понятен и интересен самой широкой аудитории и в первую очередь школьникам старших классов. См. также краткую инструкцию по подаче работ на конкурс.
Более подробно о конкурсе.
