Автор: В. Л. АКСЕНОВ
XX в. стал столетием физики, которая значительно расширила знания человечества об окружающем мире и создала базу для научно-технической революции. Но на рубеже тысячелетий интересы ученых стали смещаться в область наук о жизни и Земле. На первый план выходят проблемы биологии, медицины, охраны окружающей среды, фундаментального материаловедения (особенно в плане создания новых конструкционных материалов) и т. д. Однако определенная смена ориентиров исследований не означает, что физика теряет статус авангарда естественнонаучных дисциплин. Более того, разные специалисты все больший интерес проявляют к использованию уникальных физических приборов: ускорителей частиц, ядерных реакторов, больших телескопов, прессов высокого давления и т. д. К подобным, так называемым крупным установкам, относится и находящийся в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) исследовательский ядерный импульсный быстрый реактор ИБР-2.
стр. 26
Доктор физико-математических наук В. Л. АКСЕНОВ, начальник отдела нейтронных исследований конденсированных сред Объединенного института ядерных исследований (Дубна), научный руководитель реактора ИБР-2
ЧТО ВЕК ГРЯДУЩИЙ НАМ ГОТОВИТ?
В 1960 г. в Дубне запустили первый в мире пульсирующий ядерный реактор - ИБР. Успешная работа ИБР и его модификаций стимулировала появление в середине 60-х годов новых проектов аналогичных установок в США, Италии, Японии, СССР. Однако на практике реализовали только один из них - ИБР-2, опять-таки в Дубне (принят в эксплуатацию 10 февраля 1984 г.). Этому во многом способствовал уникальный опыт применения подобных систем, находившихся под патронажем Министерства среднего машиностроения (ныне Министерство РФ по атомной энергии - Минатом), в самом ОИЯИ и в Физико- энергетическом институте им. А. И. Лейпунского (Обнинск).
Реактор ИБР-2 разработали в Научно-исследовательском конструкторском институте энерготехники (главный конструктор академик Н. А. Доллежаль), проектные работы выполнил Государственный специализированный проектный институт, топливные элементы изготовили Всесоюзный научно- исследовательский институт неорганических материалов и комбинат "Маяк". Для решения отдельных задач привлекали и другие специализированные институты, конструкторские бюро.
Первым научным руководителем реактора был автор его идеи и первый директор ОИЯИ, член-корреспондент АН СССР Д. И. Блохинцев. Позднее его "опекал" нобелевский лауреат, академик И. М. Франк, при котором на базе этой установки для создания других ИБР и проведения исследований на них была образована Лаборатория нейтронной физики, ныне носящая его имя.
Эксперименты на ИБР-2 стали проводить сразу же после пуска. Реактор в импульсном режиме и поныне дает рекордный для исследовательских источников нейтронов поток: плотность быстрых нейтронов - 10 17 н/см /с; тепловых - 10 16 н/см /с.
Главная отличительная особенность ИБР-2 - периодическое изменение выделяемой энергии с помощью стального подвижного отражателя нейтронов. Последний состоит из двух частей, вращающихся со скоростями соответственно 1500 и 300 об/мин. Когда оба экрана отражателя направляют поток нейтронов в активную зону (там находится 90 кг двуокиси плутония), образуется мощный импульс энергии в 1500 МВт. Примерно такую же энергию производят современные блоки атомных электростанций. Принципиальная разница состоит в том, что в реакторе ИБР-2 такая энергия сконцентрирована в очень малом объеме (22 л) и генерируется 5 раз в секунду, поэтому средняя мощность составляет всего 2 МВт, что обеспечивает безопасность и относительную дешевизну его эксплуатации. Создание данной установки обошлось СССР примерно в 20 млн. долл. Сегодня ее эксплуатация, развитие и совершенствование стоят не менее 1 млн. долл. в год. Но это в 10 - 50 раз меньше, чем тратят на те же цели за рубежом.
Поскольку реакторы ИБР были первыми импульсными источниками нейтронов для физических исследований, то основы методов время - пролетной структурной нейтронографии и спектроскопии, когда энергия нейтрона в эксперименте определяется измерением времени его пролета от источника до образца, были заложены в Дубне.
В новом столетии ИБР-2 подвергнется модернизации. Для этого в начале 2000 г. было заключено соглашение (сроком на 10 лет) между ОИЯИ и Минатомом о совместных работах по замене основного его оборудования.
В 2007 г. установка будет даже остановлена, а к 2010 г. в Дубне появится фактически новый реактор - ИБР-2М с улучшенными параметрами и системой безопасности. По расчетам, он будет служить науке минимум 20 - 25 лет.
Осуществляя задуманное, мы будем ориентироваться на уникальные свойства нейтронов в их взаимодействии с веществом и на области наук, где это может быть наиболее востребовано. В настоящее время речь идет, прежде всего, о физике конденсированного состояния (кристаллические структуры и возбужденные состояния вещества, магнетизм и сильно коррелированные электронные системы, некристаллические материалы и жидкости), о биологии и фармакологии (структура и физикохимия макромолекул, функционирование конкретных биологических систем), о геофизике (текстурный анализ минералов и геологических пород), наконец, о материаловедении (наноструктуры в полимерах, материалы конструкционного назначения). Чтобы дать представление о перспективах исследований на ИБР-2, рассмотрим несколько конкретных программ, уже осуществляемых на реакторе, но требующих дальнейшего углубления и развития.
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ
Одним из ярких примеров эффективности использования нейтронов в структурных исследованиях может служить расшифровка кристаллической структуры купратных (оксидомедных) высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Их открытие в 1986 г. стало крупнейшим событием в физике, его долго ждали, оно вызвало большой бум не только в научной, но и в политической среде. Достаточно сказать, что уже в 1987 г. за это открытие швейцарским ученым К. А. Мюллеру и И. Г. Беднорцу была присуждена Нобелевская премия по физике.
стр. 27
Кристаллическая структура высокотемпературных сверхпроводников на основе ртути. Эти соединения имеют рекордную температуру перехода в сверхпроводящее состояние - 134 К при атмосферном давлении и 152 К при давлении 11 ГПа.
Во всех экономически развитых странах были приняты государственные научно-технические программы, направленные на разгадку природы ВТСП и разработку технических устройств*. Проблема оказалась очень сложной, и в ряду других наиболее актуальных перекочевала в XXI в. В настоящее время накоплен огромный экспериментальный материал, на основе которого создано несколько теоретических моделей ВТСП. Ближайшая задача состоит в выборе наиболее подходящей.
Использование метода рассеяния нейтронов сыграло в этом главную роль. Средней сложности кристаллическая структура с сильно различающимися по атомному номеру элементами и наличие магнитных свойств обусловливают широкие возможности нейтронов при изучении структуры и динамики этих соединений. Именно с помощью дифракции нейтронов удалось определить положения легкого кислорода на фоне тяжелых элементов, таких, как иттрий, ртуть и барий, и тем самым сделать первый шаг в понимании механизма нового явления.
Много полезной информации по данной проблеме собрано в ходе исследований на реакторе ИБР-2 структуры ртутьсодержащих ВТСП (Hg-ВТСП) с общей формулой . Эти соединения, открытые в 1993 г. группой Е. В. Антипова в МГУ им. М. В. Ломоносова, имеют высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние и относительно простую кристаллическую структуру, в которой отсутствуют искажения, обусловленные несоизмеримостью межатомных расстояний и неоднородностью распределения катионов. С помощью этих структур как раз и удается ближе всего подойти к пониманию физики сверхпроводящих процессов.
Эксперименты в ОИЯИ по изучению взаимосвязи температуры сверхпроводящего перехода и особенностей структуры Hg-ВТСП подтвердили особую роль в этом антиферромагнитного обменного взаимодействия между медью и кислородом в геометрической плоскости соединения CuO 2 для спинов (S=1/2) на узлах кристаллической решетки меди. Было также показано, что в Hg-ВТСП медь-кислородная плоскость имеет угол связи Cu-O-Cu, близкий к 180, что обеспечивает максимальное значение антиферромагнитного обменного взаимодействия.
Помимо обычных экспериментов, на реакторе ИБР-2 можно проводить дифракционные эксперименты при высоких давлениях (до 200 кбар). В них, в частности, выявлено: под действием внешнего давления длины медь- кислородных химических связей уменьшаются, что ведет к дальнейшему увеличению антиферромагнитного обмена. В этом, собственно говоря, и состоит разница между оксидомедными и другими сверхпроводниками.
Полученные нами экспериментальные данные объясняются в рамках двухзонной модели Хаббарда, согласно которой в оксидомедных ВТСП реализуется специфический только для них механизм спаривания, обусловленный антиферромагнитным обменом, энергия которого достигает рекордно большой величины ввиду особенностей электронного строения данных соединений.
ФУЛЛЕРЕНЫ - ПЕРСПЕКТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ
Фуллерены наряду с алмазом и графитом - одна из модификаций
* См.: Ю. А. Осипьян. Высокотемпературная сверхпроводимость: взгляд без эмоций. - Наука в России, 2001, N 1 (прим. ред.).
стр. 28
Процесс агрегации в модельной системе - в растворе фуллерена С 60 , в пиридине и воде. Отдельно показана нанокапсула, состоящая из фуллеренового кластера, окруженного оболочкой из пиридина.
углерода - открыты в 1985 г. Р. Керлом, Г. Крото и Р. Смолли (Нобелевская премия по химии за 1996 г.) и названы в честь американского архитектора Б. Фуллера, представляют собой большие молекулы-кластеры в виде сфероподобных сеток из углеродных шестиугольников и пятиугольников*. У наиболее популярного из них - фуллерена C 60 - каркас имеет форму футбольного мяча, в котором в местах стыка углов шестигранников и пятигранников находятся атомы углерода (всего 60).
Материалы на основе фуллеренов обладают необычными физическими и химическими свойствами, поэтому в их изучение вовлечены тысячи научных групп во всем мире. Возможно, одно из самых перспективных применений фуллеренов связано с медициной, ибо они обладают заметной биологической активностью. Поэтому ученые надеются на их основе создать новый класс фармакологических средств с широким спектром терапевтического действия.
Однако биофизические, биологические и медицинские исследования фуллеренов сдерживались тем, что они в обычных условиях практически не растворяются в воде. Лишь несколько лет назад Г. В. Андриевский с сотрудниками в Институте терапии АМН Украины предложили метод получения мелкодисперсных растворов фуллеренов (C 60 и C 70 ) в воде. В настоящее время удается создавать водные растворы C 60 (FWS) с концентрацией более 1,4 мг/мл и не содержащих никаких добавок и стабилизаторов. Такие растворы являются стабильными в диапазоне температур от 5 до 60 o С при хранении не менее 18 месяцев. Биологическое тестирование FWS-растворов в различных модельных системах in vitro показало: они обладают противовирусной активностью (ингибирование вируса иммунодефицита человека и вирусов гриппа), не обладают канцерогенными и мутагенными свойствами, не подавляют процессы клеточного дыхания, не влияют на систему свертывания крови, антиоксиданты и т. д. В Российском онкологическом научном центре им. Н. Н. Блохина РАМН уже имеются первые, правда, пока на крысах и мышах, положительные результаты применения созданных на базе фуллеренов препаратов.
Для понимания процессов растворения фуллерена в воде и механизмов действия FWS в биологических системах проводятся разнообразные физические и химические эксперименты. Ключевым здесь является вопрос о структуре и строении FWS. В его прояснении важную роль могут сыграть исследования с использованием малоуглового рассеяния нейтронов, начатые недавно в кооперации с группой Г. В. Андриевского на реакторе ИБР-2. В них мы опираемся на уникальную способность нейтрона легко различать изотопы, например, водорода и дейтерия. Этот так называемый метод изотопического контраста (когда в системе частично или полностью заменяют водород на дейтерий и изучают вызванное рассеяние нейтронов) весьма эффективен в современной структурной молекулярной биологии.
В настоящее время в качестве рабочей используют модель, согласно которой FWS представляет собой молекулярно-коллоидную систему, состоящую как из отдельных гидратированных (присоединивших Н 2 O) молекул С 60 , встроенных в ажурную структуру воды, так и из их сферических фрактальных кластеров размером от 7 нм и более. Структурной единицей таких кластеров является
* См.: Фуллерены. - Наука в России, 2000, N 6 (прим. ред.).
стр. 29
Схематическое изображение ламеллярной тонкой пленки со- полимера PS-PBMA. Слева - изображение в атомном силовом микроскопе, справа - модель внутренней структуры островка, полученная на основе рефлектометрических измерений на реакторе ИБР-2.
Типичный спектр - карта интенсивности рассеяния нейтронов в зависимости от импульсов падающих (Pi) и отраженных (Pf) нейтронов. Именно такие карты позволяют определить параметры структуры поверхностей и морфологии межслойных границ.
стр. 30
Распределение времени работы реактора ИБР-2 исследователям из разных стран для проведения экспериментов.
сферический агрегат из 13 молекул С 60 размером 3 - 4 нм, аналогично кристаллогидратам содержащий прочно связанные молекулы воды. Отсюда возникают две задачи: изучение структуры воды в комплексе С 60 &nН 2 О, а также процессов образования кластеров и кинетики агрегации.
Недавно в экспериментах по малоугловому рассеянию нейтронов нам удалось установить картину образования кластеров фуллеренов в растворе С 60 в пиридине (бесцветная жидкость, содержащаяся, скажем, в каменноугольной смоле) и в воде. Оказалось, первые окружены пиридиновой оболочкой, что делает фуллерены химически инертным образованием - чем-то вроде инертной нанокапсулы. Процесс их агрегации, следовательно, состоит в объединении последних. Следующий этап наших исследований - изучение чисто водных растворов фуллеренов.
НАНОСТРУКТУРЫ В ПОЛИМЕРАХ
В последнее время в биотехнологии, электронике, других отраслях промышленности во все возрастающих количествах используют различные полимерные пленки. Это обусловливает необходимость иметь данные материалы с несхожими поверхностями и морфологией границ между слоями в многослойных наноструктурах. В соответствующих исследованиях твердых тел и жидкостей, в том числе и полимеров, широко используется нейтронная рефлектометрия - измерение параметров нейтронного пучка в результате полного отражения его от поверхности или границы между слоями.
В мире уже работают около 40 таких устройств; два с уникальными параметрами установлены на нашем реакторе ИБР-2. Именно на них входе недавних совместных исследований с коллегами из России, Франции и Германии удалось установить: эффекты незеркального рассеяния играют ключевую роль в определении структуры поверхностей и слоев. Мы изучали ламеллярную тонкую пленку со-полимера полистерен- полибутилметакрилата(РS-РВМА), поверхность которой покрыта бугорками или островками высотой 40 нм и диаметром 1 - 5 мкм. Такие объекты видны лишь с помощью самого мощного на данный момент атомного силового микроскопа*. Но и он не позволяет увидеть их внутреннее строение (это позволяют только методы нейтронной физики).
ЦЕНТР КОЛЛЕКТИВНОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ
Поскольку ИБР-2 является одним из лучших в мире источников нейтронов для исследований конденсированного вещества, распределение времени, выделяемого для экспериментов, производится на конкурсной основе. А Лаборатория нейтронной физики им. И. М. Франка ОИЯИ, которой, собственно говоря, и "принадлежит" реактор, использует всего только около 25% его экспериментального времени.
На этой установке мы реализуем много программ с ведущими научными центрами нашей страны, в первую очередь, с Санкт-Петербургским институтом ядерной физики РАН, Российским научным центром "Курчатовский институт", Физико-энергетическим институтом им. А. И. Лейпунского, Институтом физики металлов Уральского отделения РАН, Институтом ядерных исследований РАН. Вместе с тем здесь ежегодно проводят 150 - 200 экспериментов ученые из 25 - 30 зарубежных стран.
Особое внимание уделяем подготовке молодых кадров для работы на ИБР-2. Наш отдел является базовым для кафедры нейтронографии МГУ им. М. В. Ломоносова. Весьма популярна наша Школа по использованию рассеяния нейтронов и синхротронного излучения для студентов старших курсов, аспирантов и молодых научных сотрудников университетов и научно- исследовательских институтов России. Мы проводим ее совместно с Российским научным центром "Курчатовский институт" и Институтом кристаллографии РАН каждый год в течение 4 - 6 недель в Дубне и Москве.
Через несколько лет они станут членами Российского нейтронного сообщества, обладающего самой современной экспериментальной техникой для исследований конденсированного состояния вещества с помощью рассеяния нейтронов. Их ждет много интереснейших задач в физике конденсированного состояния вещества, биологии, химии, геофизике, материаловедении.
* См.: В. А. Быков. Микроскоп... рассматривающий атомы. - Наука в России, 2000, N 4 (прим. ред.).
Иллюстрации предоставлены автором.
Новые публикации: |
Популярные у читателей: |
Новинки из других стран: |
Контакты редакции | |
О проекте · Новости · Реклама |
Цифровая библиотека Украины © Все права защищены
2009-2024, ELIBRARY.COM.UA - составная часть международной библиотечной сети Либмонстр (открыть карту) Сохраняя наследие Украины |