Молекулярное кино: как будет работать мощнейший рентгеновский лазер на свободных электронах

В Гамбурге представители 12 стран, в том числе российские учёные, запустили уникальный рентгеновский лазер на свободных электронах, который позволит отследить молекулярные процессы и подробно изучить механизм взаимодействия атомов. Как пояснили специалисты, новая система производит 27 тыс. импульсов в секунду, что делает её в 200 раз мощнее её предшественников. Благодаря такой частоте исследователи смогут создать так называемое молекулярное кино, чтобы кадр за кадром отследить движение мельчайших частиц.

В пятницу в Гамбурге состоялась церемония открытия Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах XFEL (European X-ray free-electron laser). В создании мощнейшей в мире установки принимали участие 12 стран, в том числе Россия.

Российская сторона внесла значительный вклад в этот проект — как интеллектуальный, так и финансовый. Россия занимает второе место после Германии по объёму долевого участия — около 27%. Другие участники проекта — Великобритания, Венгрия, Дания, Испания, Италия, Польша, Словакия, Франция, Швейцария и Швеция.

"This international research mega project is our common intellectual contribution to the world of science." Prof. Fursenko of RU speaks. pic.twitter.com/Myb7guPkUy

— European XFEL (@EuropeanXFEL) September 1, 2017

Уникальное устройство занимает тоннель длиной 3,5 км. В нём генерируется рентгеновское электромагнитное излучение сверхвысокой интенсивности. За счёт ярких и сверхкоротких импульсов учёные смогут наблюдать за процессами на наноуровне. Это позволит провести ряд беспрецедентных исследований и расширить мировые познания в области физики, химии, материаловедения, наук о жизни и биомедицине.

По данным портала Phys.org, установка поможет учёным продвинуться в изучении поведения атомов, вирусов и процессов химических реакций.

Monster X-ray laser offers glimpse into nano-world https://t.co/kDDmj6Hxcf

— Phys.org (@physorg_com) September 1, 2017

«Особенная технология»

Установка расположена в городе Шенефельд, недалеко от Гамбурга. Учёные поясняют, что новый лазер сможет производить вспышки с частотой 27 тыс. раз в секунду, что намного превышает все существующие показатели.

«Это проект уникальный, поскольку в его основе лежит особенная технология. Его сверхпроводящий ускоритель позволяет создавать 27 тыс. мощных импульсов в секунду. Если сравнивать с мировыми аналогами: мощность рентгеновских лазеров, подобных тому, что установлен в Стэнфорде, и лазера SACLA в Японии исчисляется лишь сотнями импульсов в секунду. К нам приковано внимание всего мира, ведь теперь наш лазер по своим возможностям намного превосходит все подобные установки», — рассказал RT управляющий директор European XFEL, профессор Роберт Файденхансл.

Лазер по мощности превосходит своих предшественников примерно в 200 раз, что позволит учёным фактически записать так называемое молекулярное кино, в котором впервые в истории науки нанопроцессы можно разложить по кадрам и рассмотреть с максимальной точностью молекулярные структуры.

По словам учёного Дмитрия Хахулина, ведущего исследования на площадке XFEL, этот процесс можно будет сравнить с просмотром футбольного матча.

«Если провести аналогию с футболом... Например, известный матч Германии с Бразилией несколько лет назад. Мы увидели, как игра началась, и конечный счёт, но мы не знали, как это произошло, соответственно, всё интересное мы пропустили. Для того чтобы сделать то же самое с химической реакцией, чтобы понять, что происходит шаг за шагом, нам необходимо иметь такой детектор и ежесекундное разрешение в экспериментах с лазером на свободных электронах и с оптическим лазером», — пояснил он.

Раньше учёным были доступны только начальное химическое состояние системы и конечное, а то, что происходило в промежутке трансформации, оставалось неизвестным. Сам процесс воссоздавали только благодаря химическим законам.

A giant camera that can record reacting atoms begins operating in Germany on September 1 https://t.co/iE2WEKxtJU@EuropeanXFELpic.twitter.com/r7MYNpbz6y

— DW Science (@dw_scitech) August 31, 2017

Международный проект

Рентгеновский лазер на свободных электронах — результат совместного труда 11 стран Евросоюза и России. Представитель Курчатовского института Михаил Рычев пояснил RT, что помимо российских учёных проектом занимались лучшие умы из Дании, Франции, Германии, Венгрии, Италии, Польши, Словакии, Испании, Швеции, Швейцарии и Великобритании. Для проведения исследования заявки подали около 60 научных групп, из которых были отобраны 14. Они начнут свои эксперименты уже в сентябре. Первые результаты ожидаются в начале следующего года.

«Одним из основных отличий установки от других — например, от Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе, является её очень конкретная практическая направленность. Помимо фундаментальных исследований, которые тоже будут проходить на этой площадке, значительная часть задач, которые будут тут решаться, имеют прямой выход в области медицины, здравоохранения, создания материалов для новых отраслей промышленности», — рассказал Михаил Рычев.

По его словам, высокая интенсивность импульсов позволит получать трёхмерные картины белков, что крайне важно в таких областях, как медицина и фармакология. И российские учёные во многом способствовали достижению этого прогресса.

Ранее вице-премьер РФ Аркадий Дворкович заявил, что отечественные научные работники принимали участие практически во всех мировых разработках.

«Мы вносим свой вклад в такие значимые для мирового научного сообщества проекты, как Большой адронный коллайдер, Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах, Европейский центр по исследованию ионов и антипротонов, Экспериментальный термоядерный реактор и Европейский источник синхротронного излучения», — подчеркнул он.

Вице-премьер отметил также, что политика не влияет на участие России в международных исследовательских проектах, к которым российская сторона традиционно относится с большим интересом.