Не грех поучиться… у бактерий

Воссоздать искусственно процесс фотосинтеза и внедрить технологию в промышленность — эту задачу пытаются решить исследовательские группы по всему миру. Многие наши потребности были бы удовлетворены благодаря этому, и без ущерба самой природе. Возможно, удалось бы даже остановить процесс глобального потепления, одна из причин которого — концентрация углекислого газа в атмосфере.

Первые публикации по искусственному фотосинтезу появились в начале 70-х годов прошлого века. Изначально в этой области лидировала Япония. В 2012 году здесь один за другим открылись государственные проекты по ускорению изучения и разработки «искусственного фотосинтеза». Самый масштабный проект рассчитан на десять лет, в бюджет заложено 15 миллиардов иен.

Годом раньше правительство США заявило, что выделяет на аналогичные исследования 10 миллиардов долларов на пять лет, в Калифорнии был организован Объединённый центр по исследованию искусственного фотосинтеза. Набирают силу подобные проекты в Китае, в странах Евросоюза, в Южной Корее.

В декабре 2013 года в СФУ открылась Лаборатория нелинейной оптики и спектроскопии с целью изучения оптических свойств новых материалов для искусственного фотосинтеза, наноплазмоники и фотоники. Возглавил её кандидат физико-математических наук, доктор биотехнологии (PhD) Сергей Петрович ПОЛЮТОВ. Получив хорошую теоретическую подготовку в Институте физики и Институте вычислительного моделирования Сибирского отделения РАН, учёный затем около девяти лет провёл за рубежом, работая в лабораториях Швеции и Германии.

Сверхзадача

— Несложно представить ситуацию: запасы нефти и газа закончились совсем, — рисует перспективу Сергей Полютов. — Это не моя фантазия.
Специалисты полагают, что запасов нефти хватит на 40-50 лет, не больше. А что дальше? На Западе в технологии, связанные с во­зобновляемой энергетикой, и в соответствующие фундаментальные исследования уже сейчас вкладываются огромные деньги. Мне кажется, и у нас это направление нужно активно развивать уже сейчас, поскольку практические результаты могут появиться очень и очень не скоро, и мы вновь отстанем от всего мира.

Выход подсказывает сама природа. Почему бы не поучиться у неё использовать процессы фотосинтеза, протекающие в растениях и некоторых бактериях? Что такое ископаемые ресурсы? Аккумуляторы солнечного света, когда-то поглощённого бактериями и листьями растений. Этот свет накапливался сотни миллионов лет…

Вот и мечтают учёные научиться воссоздавать и улучшать природный процесс фотосинтеза в лабораторных условиях на основе органических, в том числе полимерных, молекулярных агрегатов. Решение таких задач требует концентрации усилий специалистов из самых разных научных областей. Поэтому и растёт интерес к междисциплинарным проектам. Наша научная лаборатория тоже занимается подобными исследованиями.

— Например?

— Не секрет, что современная электроника на грани кризиса. Она зависит от возможностей химического элемента — кремния, и эти возможности, увы, не безграничны. Скорость работы отдельных процессоров достигает своего предела около 4-5 ГГц.
На смену полупроводниковой электронике готовятся прийти фотоника, плазмоника, спинтроника и так называемая органическая электроника на полимерах. Иными словами: если представить, что вместо медленных электронов по схемам можно было бы пускать быстрые фотоны или квазичастицы (плазмоны или экситоны — «волны» на поверхности электронного моря), то можно рассчитывать на заметное повышение скорости работы таких схем. Электроника достигает предела в гигагерцевом диапазоне, в то время как плазмоника и фотоника вполне способны выйти на терагерцевый диапазон, в котором работа идёт в тысячи раз быстрее.

Будущее вычислительной техники — это новые материалы и технологии. И сейчас в лаборатории мы проводим работу по четырём важным направлениям. Первое — исследование коллективных экситонных эффектов в молекулярных агрегатах, в том числе в сопряжённых полимерах (материал для органической наноэлектроники) и в одном из наиболее ярких представителей молекулярных агрегатов — так называемом светособирающем комплексе зелёных растений и цианобактерий (см. рис. 1). Этот комплекс является чрезвычайно важным участником процесса фотосинтеза, который отвечает за эффективное поглощение и передачу солнечной энергии в реакционный центр, где и происходит собственно процесс фотосинтеза. Второе направление — развитие методов квантовой химии, которую мы используем как инструмент для расчёта внутренних свойств, в том числе и агрегатов. Третье направление — наноплазмоника и четвёртое — фотонные кристаллы. Кроме того, совместно с зарубежными партнёрами начинаем заниматься резонансной рентгеновской спектроскопией.

Секреты «кухни»

— Сергей Петрович, растолкуйте для непосвящённого читателя, что это за феномен — молекулярный агрегат и как происходит процесс переноса энергии?

— Молекулярный агрегат — это упорядоченный набор органических молекул, например, в виде цепочек или колец. С помощью компьютерного моделирования мы исследуем взаимодействие этого агрегата с солнечным или лазерным излучением. При этом какой бы скорый носитель не был выбран для передачи информации или энергии — фотон (частица света) или электронное возбуждение, — крайне важно понимать, как такая передача информации происходит. Какого цвета свет лучше пройдёт через цепочку передающих элементов? Как минимизировать потери при передаче информации и приблизиться к природным аналогам — фотосинтетическим комплексам, работающим практически со стопроцентной эффективностью? Какие физические принципы лежат в основе этих явлений? Наша задача как раз в том и состоит, чтобы дать ответы на все эти вопросы, разработать теоретическую базу и создать расчётные методы.

— Какие методы исследования молекулярных агрегатов вы используете?

— Крайне информативный экспериментальный подход разработан сравнительно недавно, в конце 90-х годов — это двумерная оптическая Фурье-спектроскопия, основанная на эффекте фотонного эха. Результаты таких экспериментов — «карты» (см. рис. 2) — показывают динамику передачи энергии с учётом различных межмолекулярных взаимодействий.

Расшифровка этих «карт» и экспериментальная реализация метода — дело непростое. В мире существует всего несколько лабораторий, способных проводить такие измерения. В России, насколько мне известно, подобных лабораторий ещё нет, как нет и рабочих групп, занимающихся данной тематикой хотя бы теоретически. Благодаря таким экспериментам появляется возможность напрямую рассчитать скорость переноса энергии.

Стоит отметить, что сам метод является уникальным, он позволяет измерить все процессы переноса энергии в системе в фемтосекундах, а также можно напрямую измерять силу взаимодействия между молекулами в агрегате. Изобретение метода дало новый импульс исследованиям в области искусственного фотосинтеза, которые к этому моменту почти сошли на нет именно потому, что стандартными методами очень сложно или вовсе невозможно было измерить сверхбыстрые процессы переноса энергии.

Энергия возбуждения

В физике существует термин «энергия возбуждения». Это переход системы из основного энергетического состояния в состояние с большей энергией. Беглый запрос в Google по фразе «excitation energy transfer» (передача энергии возбуждения) даёт порядка 2,5 миллионов статей. Из них почти две тысячи публикаций появились в 2015 году. Это говорит о том, что интерес к теме огромный!

СПРАВКА
Рынок органической электроники, по прогнозам американской аналитической компании IDTechEx, увеличится с $1.2 млрд в 2007 году до $48.2 млрд в 2017 и достигнет $300 млрд в 2027 году. В этой области лидируют европейские компании, главным образом немецкие.

Органическая и печатная электроника будут широко применяться при производстве RFID/ORFID тегов (38% рынка); органических дисплеев, OLED осветителей и OLED рекламных мест (38% рынка); солнечных батарей (14% рынка). Рынок органических и печатных сенсоров, по данным компании NanoMarket, составит в 2015 г. $2.3 млрд.

— Развитый мир на фоне исчерпания запасов углеводородов в среднесрочной перспективе озадачен поиском эффективных методов генерации, передачи и хранения энергии, — продолжает учёный. — Самые эффективные полупроводниковые солнечные батареи, созданные человеком, способны «воспроизводить» порядка 55% энергии. Для сравнения: цианобактерии и растения достигли практически стопроцентной эффективности передачи энергии с помощью светособирающих комплексов, хотя эффективность превращения энергии у них ниже. Приблизиться к этому рекорду непросто.

— Чему конкретно уже удалось научиться у природы?

— На основе гибридных методов, в которых используется как «органика», так и «кремниевые технологии», удалось построить фотоэлектрические ячейки (солнечные батареи) с органическими фотопроводящими слоями, более эффективными по сравнению с солнечными неорганическими элементами. При этом в оптимальных условиях коэффициент преобразования «фотон в электрон» в таких ячейках уже превышает 30%.

С другой стороны, нужно понимать, что фундаментальная наука редко даёт сиюминутный практический результат. Её задача — заложить основу. Лишь на базе фундаментальных исследований можно получить действительно прорывные технологии, методики, разработки. Наша задача — как минимум не отстать навсегда от Запада в понимании самой основы процессов и подготовить соответствующие кадры.

— А как максимум?

— Осуществить лидерство в указанных областях, в том числе от теории перейти, наконец, к реальным экспериментам и в перспективе разрабатывать собственные технологии. Но это будет зависеть от поддержки государства и Сибирского федерального университета.

Возможности

Чем сегодня располагает лаборатория?

— Главное наше богатство — люди. За сравнительно короткое время сформировался сплочённый и квалифицированный коллектив. А поскольку работать приходится на стыке нескольких наук, то в штате лаборатории есть и биологи, и физики, и химики.

Например, Илья РАССКАЗОВ (на фото) — победитель конкурса инновационных идей и инвест-проектов «Стартап-ринг» в номинации «Лучшая инновационная идея» (Красноярск, 2014 г.) и лауреат Государственной премии Красноярского края. Андрей ЗИМИН в 2014 году получил краевую именную стипендию им. Л.В. Киренского за успехи в области физ.-мат. наук. У Нины ИГНАТОВОЙ — ряд побед во всероссийских научно-технических конкурсах. Сергей ГАВРИЛЮК защитил диссертацию в Стокгольме в Королевском технологическом институте.

В ведущих международных научных журналах наши сотрудники менее чем за год опубликовали восемь статей. Для лаборатории-новичка это много. Сам я устроился сюда год назад, в декабре, первый сотрудник появился только в феврале 2014-го, второй — в апреле, другие позже.

Для сравнения: общество научных исследований имени Макса Планка в Германии имеет 13 тысяч публикаций в год и около 13 тысяч научных сотрудников и аспирантов. То есть на одного сотрудника приходится примерно по одной статье в год, что неплохо. Но у нас больше. Выходит, что эффективность вложения средств в нашу лабораторию почти в 20 раз выше, чем у научного лидера в мире, имеющего в своей структуре 80 институтов!

В 2015 году в высокорейтинговом научном журнале Physics Reports (Impact factor 23 — это очень высокий показатель) выйдет статья с моим соавторством (около 80 страниц), где представлен обзор о состоянии научных исследований в области молекулярных агрегатов начиная с 50-х годов. Публикация уже в открытом доступе в Интернете.

Технология мечты

На мониторе компьютера — объёмная цветная модель молекулы. В зависимости от того, что в ней возбуждается и куда посылается импульс — изменяются и оптические свойства. Задача исследователя — проследить, как и где происходят эти изменения.

«Пока мы занимаемся исключительно компьютерным моделированием. Это нужный этап, но хотелось бы поскорее перейти к экспериментам, — делится аспирант Илья Рассказов. — Конечно, есть интересные зарубежные работы, но и мы за последнее время кое-чего добились. Самое важное наше достижение — удалось выявить, что в отличие от сферических частиц есть гораздо более перспективные, в которых оптический сигнал может распространяться с очень высокими скоростями и очень малым затуханием. Цепочки из таких наночастиц могут быть использованы как основа для новых технологий».

Лаборатория открыта для взаимовыгодного сотрудничества с единомышленниками. Для студентов, магистрантов и аспирантов — это шанс получить ценные практические навыки в освоении квантовой и общей физики, физической и квантовой химии, математических методов. Здесь научат программировать высокопроизводительные параллельные приложения. Для аспирантов и магистрантов возможны стажировки в зарубежных университетах.

Команда Сергея Петровича Полютова работает над созданием наноразмерных материалов с заданными электронными, механическими и линейно-оптическими свойствами. Получится — значит, гарантирован прорыв в мировом масштабе: сверх­быстрое преобразование сигналов, более эффективный перенос энергии, органическая нанопроволока, устройства для хранения солнечной энергии и даже искусственная антенна зелёного листа, способная эффективно улавливать свет...

Вера КИРИЧЕНКО