Демократия наностекла. Немецкий ученый Герберт Гляйтер - о современных технологиях
На XXI Менделеевском съезде, одном из главных событий всемирного Года периодической таблицы, выступил Герберт Гляйтер, профессор Технологического института Карлсруэ. Немецкий ученый, который 30 лет назад сформулировал концепцию абсолютно нового класса материалов, названных нанокристаллическими, а затем разработал и вовсе фантастический материал, так называемое наностекло. Профессор был вице-президентом Академии наук Германии, сейчас состоит в 12 академиях разных стран; он обладатель премии Лейбница, медалей Гельмгольца и Котениуса; он основал несколько институтов (два в Китае носят его имя), а в СПбГУ ведет совместные работы с Лабораторией механики объемных наноматериалов. Мы попросили ученого рассказать, что такое наностекло, как если бы пришлось объяснять школьнику.
ФОТО предоставлено СПбГУ
- Профессор Гляйтер, вы как-то сказали: люди не очень понимают, что такое наноматериалы...
- Ничего особо сложного. Вот есть некая твердая материя, например, кусок железа или другой твердый материал. Структура у него кристаллическая - атомы расположены в определенном порядке. И на протяжении тысячелетий все, что нас окружает, что мы создаем, имеет кристаллическую структуру - от железного топора до самолета. В наноматериалах атомы тоже построены в основном регулярно, кроме нескольких, которые движутся в другом порядке и за счет этого весь материал приобретает новые свойства.
Представьте себе войско: солдаты по приказу маршируют строго в своей шеренге, но при этом шеренга состоит из очень разных людей. Это обычные кристаллические материалы. Обратный пример - не армия, а демократическое общество, где у каждого свое мнение, не надо строиться в шеренги. И как сложно делать так, чтобы такие разные люди уживались! Вот про наноматериалы можно сказать: там восторжествовала настоящая демократия.
- Применение нанотехнологий в каких областях вас особенно вдохновляет?
- Возьмем медицину. В Германии к 1900 году ожидаемая продолжительность жизни была всего 35 - 40 лет. Умирали во вполне молодом возрасте от неизлечимых тогда болезней, в том числе от рака. Сейчас ожидаемая продолжительность жизни мужчины в Германии - 86 лет, женщины - 89. Вот мне за 80, а я только что Атлантику пересек.
Да, люди и сейчас заболевают, но живут при этом вдвое дольше, в том числе те, кто болен раком. В числе прочего это заслуга и нанотехнологий: если обычная химиотерапия бьет не только по раковым клеткам, но и по здоровым, то с помощью нанотехнологий можно доставить вещества непосредственно к раковой клетке и убить конкретно ее.
Или ваш сотовый телефон: всякий раз, когда вам звонят, знайте, что вы пользуетесь нанотехнологиями. Если мы вскроем мобильник, там будет то, что называется микросхемой, но на деле это уже комплекс «наносхем», состоящих из миллиона транзисторов.
- «Детский» вопрос: вы в одной лекции сказали, что в будущем все, окружающее нас, будет из наностекла. Почему из стекла, а не из мельчайших частичек чего-то другого?
- Восемь тысяч лет стекло получают так: берут диоксид кремния (например, кварцевый песок. - Ред.), расплавляют, очень быстро остужают и получается стекло - например, для окна. Я подумал: что если вместо кристаллов (из которых, повторю, состоит любая твердая материя) использовать мельчайшие капельки стекла? Собрать их вместе, спрессовать... При этом капельки не образуют кристаллы и не смешиваются. Как в обществе: мы не смешиваемся, поскольку все разные.
И вот у этой новой структуры будут новые свойства. С такими свойствами, причем заданными, можно будет вырастить зубной имплантат за час! А имплантат для бедренной кости за день! Уже известно, что если свободные поверхности биосовместимого имплантата покрыть тонким слоем наностекла и внедрить в организм, он приживется гораздо быстрее, чем «традиционный». Мы помещаем остеобласты (молодые клетки костной ткани. - Ред.) на свободные поверхности наностекол и стекол из охлажденного расплава - и сравниваем скорости роста остеобластов. На наностекле остеобласты могут расти в 100 раз быстрее!
Беспилотная «Ласточка». На железнодорожном салоне в Щербинке показали уникальную технологиюМы инициировали крупный междисциплинарный исследовательский проект, одна из целей которого - понять, почему нанометровая структура наностекол имеет такое важное значение для роста клеток. В этом проекте мы сотрудничаем с физиками и специалистами в области молекулярной биологии. Конечно, пройдет еще несколько лет, прежде чем новые имплантаты смогут послужить человеку, но пока все исследования указывают на то, что это будет фундаментальный вклад в развитие имплантации.
Еще один пример. Вы можете внедрить наночастички металла в стекло - и получите стекло со свойствами железа. Абсолютно новое качество, притом что составляющие материала не новые. Манипулирование материалами с кристаллической структурой просто не могло дать такие эффекты.
Проблема в одном: пока это очень дорогая технология. Мы должны найти способ сделать ее дешевой. Но ведь то же самое было с любым новым материалом: когда он только появляется, его изготовление обходится очень дорого. Например, в США на монументе Вашингтона есть деталь-пирамидка из алюминия: в те времена алюминий был дороже золота! Алюминий подешевел, только когда его смогли получать путем электролиза.
- Некоторые открытия рождаются годами, какие-то - как просветление. Как было у вас?
- Яркая вспышка. И я беседовал с другими своими коллегами, которым доводилось открыть что-то новое, - у них было то же самое: вмиг все становится другим.
- Когда вы объявили об этом открытии, много было скептиков?
- Сейчас каждый год в мире публикуется более тысячи статей на эту тему. А когда я впервые делал доклад на очень представительном заседании научного общества в Германии, прямо посередине выступления встал очень авторитетный ученый и заявил, что такая технология невозможна. «Ну невозможно это - совместить стекло с железом!»
- Сейчас эффективность ученого измеряется количеством публикаций. Проще проводить исследования в уже известных областях, чем годами работать в «терра инкогнита» и видеть скепсис со стороны авторитетных коллег.
- Это, знаете, как с Колумбом: он сделал огромный шаг, открыл Америку. Но ведь и продолжать исследовать саму Америку - вполне нормальное и правильное дело. Да, в изведанных областях работать проще, но вот по-настоящему преуспеть сложно. А в новой сфере научная карьера выстраивается быстрее. Сорок моих студентов уже стали профессорами, работая в этой новой области.
- Колумба спонсировала королева Изабелла. А ученый, проводя исследования в новой рискованной сфере, вряд ли может рассчитывать на финансирование.
- Вы знаете, если идея стоящая, получить деньги не проблема. Когда у меня есть идея, я пишу предложение, и денег дают больше, чем я могу использовать. Например, в Китае только строительство здания института стоило 60 млн долларов, а на другой, строящийся, выделено 140 млн долларов!
Проблема не в деньгах, проблема в том, что в сутках всего 24 часа. Когда государство или организация вносит существенный денежный вклад, подразумевается, что ты должен состоять в разных комитетах. Это присутствие требует времени, а отказаться нельзя, потому что это условие получения средств.
Тут важно найти правильного человека среди коллег и бывших студентов, который мог бы взять на себя часть организационной нагрузки. У меня такие соратники и ученики есть по всему миру, у нас хорошая команда. Вроде мафии.
- У вас два института в Китае: то есть эта страна больше прочих делает ставку на новый вид материалов - наностекло?
- Определенно. Первое предложение создать институт исходило именно от Китая. Я спросил китайцев: почему? Мне ответили просто: «Китай должен стать номером один».
Если мы заглянем на тысячелетия назад, то увидим, что Китай когда-то уже и был «номером один»: компас, астрономические приборы, бумага, порох. Они просто нацелены на то, чтобы вернуть себе первенство. Приглашают видных людей из Штатов, Европы, России, свою молодежь отправляют учиться в разные страны.
Тут, правда, есть некоторая сложность. В Китае веками жили по конфуцианской философии, согласно которой «старшие говорят - младшие слушают». А в науке не так. В науке очень часто именно молодые предлагают что-то новое, и старшим стоит к ним прислушаться. Иначе ничего прорывного не создашь. Так что китайским студентам и молодым ученым приходится привыкать, что им не говорят, что делать. Немолодым приходится привыкать к этому тем более: хочешь быть «номером один» - будь открыт к дискуссиям, не будь предубежденным.
- Сложно ли набрать толковых молодых ученых, студентов, способных работать в области наностекол?
- Это сфера для тех, кто, во-первых, обладает знанием и, во-вторых, любопытством, тягой к новому. В Китае огромное население, там есть из кого выбирать - только студентов там 80 миллионов, больше, чем всего населения в Германии. И все же только верхушка 1% способна работать в сфере прорывных технологий.
- Сейчас наностекло представляется фантастикой. Можете ли вы себе представить что-то еще более удивительное?
- Думаю, следующий большой прорыв будет в биологии. Например, в мозге есть структуры, отвечающие за интеллект. Они развивались по мере эволюционирования предков человека и самого человека. Но что если будет технология, которая позволит «эволюционировать» быстрее? Скажем, как в случае с наностеклом: скомбинировать мозговые структуры представителей разных наций, особо даровитых в разных областях? Звучит фантастически, но китайцы на эту тему думают.
Но что касается именно наностекла, вот что я думаю: мы называли целые эпохи в честь материалов, которые были тогда изобретены - век железа, век бронзы... Кто знает, может, нашу эпоху назовут «веком стекла»?
Материал опубликован в газете «Санкт-Петербургские ведомости» № 195 (6548) от 17.10.2019 под заголовком «Демократия наностекла».
Комментарии