YOUNG

«Это мой первый научный опыт». Как студент создал платформу, которая может доставлять лекарства до поражённых клеток организма

YOUNG
Мария Передок
Мария Передок

Редактор

Мария Передок

Даниил Рябов учится на 4 курсе в ИТМО и работает в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники физико-технического факультета. Он один из создателей платформы из наночастиц кремния. Платформа может применяться в таргетной доставке лекарств до поражённых клеток организма. 

Мы поговорили с Даниилом о его научной работе, инвестициях в проект и выяснили, почему разработка имеет фундаментальное значение. 

А для того, чтобы текст стал немного понятнее не физикам, в конце прилагаем список терминов с пояснениями. 

«Это мой первый научный опыт». Как студент создал платформу, которая может доставлять лекарства до поражённых клеток организма

Как появился проект

Коллеги исследовали спонтанное рамановское рассеяние ещё до моего прихода в команду. Оно полезно в различных сферах — для сенсинга, определения положения и состава материалов частиц, их температуры. 

Идея работы заключалась в том, что мы облучаем частицу светом, эффективно её нагреваем и с помощью рамановского сигнала определяем температуру. Но до этого научные работы были посвящены спонтанному рамановскому рассеянию, где сигнал сам по себе очень слабый. Нам приходилось тратить много времени, чтобы получить хоть какую-то информацию при эксперименте. Поэтому мы решили получить переход от спонтанного рамановского рассеяния к вынужденному рамановскому рассеянию, что позволит значительно усилить сигнал. 

Даниил Рябов с Георгием Зографом (справа). Фото из личного архива героя материала

Роль в проекте

Я устроился в нашу лабораторию гибридной нанофотоники и оптоэлектроники только год назад, присоединился к этому проекту и вёл теоретические расчёты параметров для частицы, чтобы найти её резонансные свойства. Мне надо было отыскать такую частицу, у которой бы были оптимальные параметры и оптические свойства как на длине волны накачки, так и на длине волны излучения.

У нас хорошая команда — меня сразу приняли и доверили большую роль в проекте.

Основную работу я начинал с Георгием Зографом, аспирантом нашего физико-технического факультета, который работает в лаборатории. Моим непосредственным научным руководителем был Сергей Макаров: он наш идейный вдохновитель. От него шёл запрос, что мы хотим конкретно сделать, а Гоша формулировал мне цели и задачи, и я старался вести расчёты. В начале работы я почти не занимался экспериментальной частью, вёл исключительно теоретические расчёты, а Гоша ставил эксперимент. 

Как образование помогает делать проект

У нас в ИТМО открылся новый физико-технический факультет, где я сейчас учусь на 4 курсе. Наш курс — первый набор, который будет выпускаться как бакалавриат.  Физтех даёт сильную базу, там было много предметов, которые мне непосредственно пригодились: электродинамика в вакууме и сплошных сред, квантовая механика, математический анализ, линейная алгебра. Здесь учат работать с информацией, находить её, в целом решать неявно поставленные задачи.

Разработка имеет фундаментальное значение. Почему так?

Вынужденное рамановское рассеяние до сих пор никто не получал с полностью субволновых объектов. У нас получилось реализовать данный механизм на полностью субволновой наночастице, это говорит о том, что в целом можно продолжать исследования в данной области. Будет здорово получить полностью субволновый лазер и в дальнейшем интегрировать его в оптоэлектронные устройства.

Я могу сказать, почему это важно. Уже давно существует оптоволокно, с помощью которого передают информацию на большие расстояния. Что такое передача информации по оптоволокну? Это передача с помощью света, то есть фотонов. Быстрее света в мире нет — это фундаментальная константа, превысить скорость которой, в принципе, невозможно. То есть передача информации с помощью света является самой быстрой.

Речь идёт о большей плотности потока информации и, как следствие, большей пропускной способности, что, в свою очередь, увеличивает скорость передачи данных. В дополнение, оптоволокно абсолютно не чувствительно к внешнему электромагнитному полю (в отличие от электрических проводов), что также улучшает качество сигнала.


Никита Коваленко, аспирант кафедры фотоники МФТИ

Информация по радиочастотным каналам (спутниковая и проводная связь) тоже происходит со скоростью света. Оптика хороша тем, что можно передать большие объёмы информации. Так как частоты несущей выше (10^15 Гц по сравнению с РЧ до 10^11), можно модулировать несущую полезным сигналом с большей частотой. 


Так осуществляется межконтинентальная передача — проложено оптоволокно под океаном. Но дело в том, что есть фундаментальное ограничение — мы можем передавать информацию по оптоволокну на большие расстояния, а на маленьких расстояниях используются обычные электронные устройства. Фотоника пока не преодолела этот барьер. 

Поэтому нам необходимо осуществлять оптоэлектронные преобразования (на данный момент оптического компьютера не существует), а для этого важно минимизировать устройства, которые оперируют со светом, в частности, нанолазер (в основе которого потенциально может использоваться эффект вынужденного Рамановского рассеяния, описанный нами в статье) и нановолновод.


Никита Коваленко, аспирант кафедры фотоники МФТИ

Вся элементная база заточена под электронику, которая позволяет обрабатывать и хранить информацию — оптические компьютеры пытались делать подобное, но не получилось.

Это означает, что нам придётся переводить сигнал из электроники в оптику с помощью лазеров и модуляторов. Но поставить их в каждый отдельный кусок платы и передавать информацию на масштабах одного чипа можно, если они будут малы.


Фотонные устройства замедлили развитие. Нельзя интегрировать их внутрь компьютеров, потому как просто не существует лазеров наномасштабов, которыми можно оперировать внутри устройств. Поэтому тот факт, что мы получили переход к вынужденному рамановскому рассеянию на полностью субволновом нанообъекте, является фундаментальным шагом вперед. В дальнейшем это может быть уже реализовано в различных оптоэлектронных устройствах.

Где платформа может применяться в жизни

С помощью платформы может осуществляться таргетная доставка лекарств к поражённым клеткам. Есть технологии, которые позволяют заключить лекарства в полимерные капсулы; после того, как капсула дошла до поражённой клетки, необходимо высвободить из неё лекарство путём нагрева. В процессе надо очень точно контролировать температуру, потому что если сильно перегреть частицу, повредятся соседние здоровые клетки, а если не догреть, лекарство не высвободится. 

Shutterstock / 4 PM production

В целом наша платформа реализована на кремнии — материал, который по сей день используется в оптоэлектронике. В дальнейшем это позволит применять платформу в качестве передатчика сигнала. 

Партнёры, сотрудничество, инвестиции

Сейчас платформа не является готовым продуктом, который можно реализовать. Это некоторое фундаментальное исследование, которое позволяет сделать шаг вперёд к коммерческим продуктам. 

Что касается партнёров, у нас это Австралийский национальный университет (ANU): Гоша ездил к ним на стажировку. У Австралийского университета есть оборудование, которого нет у нас, и наоборот, у нас есть то, чего нет у них. Мы друг другу помогаем. 

Неудачные моменты и провалы

Я подключился к экспериментальной части проекта недавно, до этого делал теоретические расчёты. Приходилось выполнять большой объём рутинной работы, копаться, изучать. Когда пишешь какую-то программу, научному руководителю достаточно сложно с ходу объяснить суть проблемы. Поэтому зачастую приходилось разбираться во всём самому.

Я понял, что лучше решать проблему своими усилиями. 

Одно дело посчитать теоретически, а другое — применить знания на практике. В эксперименте всё сложнее, приходится дополнительно учитывать множество факторов — чтобы свет хорошо заходил в установку, чтобы не терялась мощность на зеркалах, которые подводят лазерный пучок к наночастице. 

Положительный опыт от проекта

Глобально это мой первый научный опыт. Я научился решать неявно поставленные задачи: когда перед тобой просто ставится большая цель — найти частицу с наилучшими параметрами — а как ты эти параметры будешь подбирать и решать задачу, выбираешь сам.

Кроме того, очень важна коммуникация, работа в команде. За проект окончательно пропала боязнь задать вопрос, уточнить информацию.

Однажды я почти месяц работал с программой, и в итоге, когда представил результаты исследования, оказалось, что они ошибочные.

В самом коде программы была ошибка, с которой я работал почти три недели. Время прошло зря. Кроме опыта я никаких важных и полезных результатов не получил. Поэтому надо делать реперные точки, связываться, уточнять, что не так, чего хотят в дальнейшем. 

Планы на будущее

Уверен, буду поступать в магистратуру физтеха и ближайшие два года после этого останусь в ИТМО, продолжу работу в лаборатории. Хочется дойти до аспирантуры. Я вижу ребят, которые здесь работают, мне нравится их образ жизни, нравится то, что каждый раз перед тобой возникают новые задачи. 

Нет такого, что ты работаешь над чем-то одним, ничего не доводится до автоматизма. Здесь есть место творчеству, мне интересно работать. Поэтому продолжу карьеру научного исследователя. В какой-то момент хочется попробовать силы за границей, найти зарубежную стажировку на полгода или год, съездить в один из наших институтов-партнёров и попробовать свои силы там.

Интервью закончилось, а вопросы остались

Здесь мы поясняем непонятные термины и слова, которые встречались в тексте.

Спонтанное рамановское рассеяние — явление, при котором свет на кристаллах или молекулах рассеивается неупруго. Часть энергии излучения переходит в энергию колебаний кристаллической решётки или молекулы, что приводит к изменению частоты рассеянного сигнала. Сам по себе этот эффект настолько слаб, что на миллион падающих на кристалл или молекулу фотонов лишь один будет рассеян с изменений частоты — набор таких фотонов и называется комбинационным (рамановским) рассеянием света. 

Вынужденное рамановское рассеяние — это такой эффект, при котором интенсивность выходного сигнала Рамановского рассеяния начинает зависеть нелинейным образом от интенсивности падающего поля. Оптимизация параметров необходима для того, чтобы переход от линейной зависимости (спонтанное рассеяние) к нелинейному режиму (соответствующему вынужденному рассеянию) происходил при меньших интенсивностях падающего поля. 

Сенсинг — детектирование каких-либо физических или химических свойств химических соединений или иных нанообъектов при помощи наноразмерных структур, выполняющих роль датчиков — сенсоров.

Детектирование оптического излучения — преобразование оптического излучения в колебания более низкой частоты (электрический сигнал). 

Полностью субволновые объекты — свет представляет собой электромагнитную волну, а каждому цвету соответствует своя определённая длина волны. Субволновым называются объекты, геометрические размеры которых во всех трёх измерениях (длина, высота, ширина) меньше этой длины волны.

Несущая частота — частота гармонических колебаний, подвергаемых модуляции сигналами с целью передачи информации.

РЧ — радиочастота.

Фото на обложке: личный архив героя материала

Нашли опечатку? Выделите текст и нажмите Ctrl + Enter

Материалы по теме

  1. 1 «Наша разработка должна сделать эндоскопию массовым обследованием»‎. Как ИИ из Ярославля помогает распознавать рак на ранней стадии
  2. 2 Как превратить научный стартап в работающий бизнес
  3. 3 Специалист по нейронаукам рассказывает о будущем со сверхчеловеческим интеллектом

Актуальные материалы —
в Telegram-канале @Rusbase

ВОЗМОЖНОСТИ

20 октября 2020

20 октября 2020