Над чем работают ученые и каких значимых результатов им удалось добиться в таких областях, как математика, физика, биология, химия. Об этом научные сотрудники университета Лобачевского рассказали в Парке науки ННГУ.

Почему мосты качаются

Директор института информационных технологий, математики и механики Николай Золотых поделился достижением математиков в области нелинейной динамики. Статья, посвященная мостам, резонансу и синхронизации, опубликована в журнале «Nature Communications». Ученые разобрали ситуацию с мостом Тысячелетия (самый молодой путепровод через Темзу). Есть видео, на котором он сильно колеблется вправо-влево, как будто туристы, заполнившие мост, его раскачивают. Эти колебания пытались объяснить через явление синхронизации, резонанса. 

Однако нобелевский лауреат физик Брайан Джозефсон заметил, что «проблема моста Тысячелетия имеет мало общего с толпой, идущей в ногу: она связана с тем, что люди делают, пытаясь сохранить равновесие, если поверхность, по которой они идут, начинает двигаться. Это похоже на то, что может произойти, если несколько человек одновременно встают в небольшой лодке. В обоих случаях движения, которые люди совершают, пытаясь удержать равновесие, приводит к усилению уже имеющегося раскачивания».

Нижегородским математикам удалось построить модель, объясняющую колебания моста. Важно отметить, что математическое описание с помощью формул согласуется с результатами экспериментов. В науке не всегда расчеты и инженерная мысль идут в ногу. 

– В случае с мостами инженеры действовали экспериментальным путем, а теперь под их действия математики ННГУ смогли подвести теоретическую базу. В этом и есть научный прорыв, – отмечает Николай Золотых.

Перспективные разработки

Очень интересных научных результатов удалось добиться физикам. Одна из их работ посвящена люминесценции кремния 9R. Кремний – материал, который активно используется в электронике: в сотовых телефонах, в процессорах компьютеров. Ученые понимают, что скорость работы компьютеров ограничена скоростью передачи импульса. Есть планы по созданию кремневой оптоэлектроники, которая умела бы напрямую передавать импульс в оптоволокно. Для этого кремний нужно заставить излучать, а он этого не очень «любит».

Ученые Научно-исследовательского физико-технического института (НИФТИ) долгое время пытаются решить эту проблему. Они научились менять модификацию кремния. 

– При модификации 9R кремний гораздо ярче люминесцирует. Таким образом, сделан один из шагов на пути к созданию более быстрых компьютеров, – рассказал кандидат физико-математических наук, младший сотрудник НИФТИ Павел Андреев.

Физики также занимались созданием новых алюминиевых сплавов для авиационной промышленности. В самолетах, как известно, много проводов, а они медные и довольно тяжелые. Раньше проводка была алюминиевая. Алюминий более хрупкий материал, проводимость у него хуже, чем у меди, но его существенное преимущество – легкий вес. Чем легче самолет, тем дальше он пролетит с одним и тем же количеством топлива. Нижегородские ученые пытаются создать алюминиевые провода, которые бы по своим основным характеристикам не уступали медным. В статье описана возможность создавать комбинированную проводку – снаружи медную, внутри алюминиевую с разными «добавками».

Еще один важный научный результат связан с созданием улучшенных титановых сплавов. Они нужны для использования при создании морских судов, ледоколов, которые передвигаются в холодной и соленой воде.

Нижегородским ученым удалось повысить коррозиоустойчивость титана за счет уменьшения «зерна» металла. Этого добиваются с помощью электроимпульсного плазменного спекания. Сплав изготавливают из титанового порошка. При исследовании его свойств  был применен метод горячей соляной коррозии. Мелкозерновой титановый сплав выдержал – оказался более твердым и устойчивым к воздействиям, чем сплавы, полученные другими способами.

Стоит отметить создание модулятора лазерного излучения на основе системы интерферометра Маха-Цендера. Эта разработка может быть применена для сотовой сети следующего поколения 5G и т.д. Удалось создать партию модуляторов, изготовленных на основе ниобата лития. В планах отказаться от ниобата лития, который сложен в изготовлении, и создавать модуляторы нового поколения, которые будут работать на полупроводниковой базе.

Как починить иммунитет

Человечество уже много лет борется с таким страшным заболеванием, как онкология. На самом деле рак – это огромная группа заболеваний с разными причинами и последствиями. В 2018 году была вручена Нобелевская премия по физиологии, которая объясняет роль иммунитета в развитии онкологического процесса и в борьбе с онкологией.

Онкопроцессу, как правило, предшествует сбой в иммунной системе. В человеческом организме каждый день рождается около двух миллионов онкоклеток, но мы не заболеваем, так как иммунитет их находит и подавляет. Но есть клетки, которые в какой-то момент выходят из-под контроля, иммунитет перестает их находить и уничтожать. Ученые предполагают, что, если не стремиться убить все раковые клетки, вышедшие из-под контроля, а  чинить иммунитет, чтобы он распознавал конкретную опухоль и сам с ней боролся, то это приведет к выздоровлению.

Последние 10 лет активно изучается иммуногенная клеточная смерть. Если клетка погибает «правильно», то она выбрасывает специальные молекулы – активаторы иммунитета. Это помогает ему «понимать», что конкретно нужно искать и уничтожать.

Как рассказала директор института биологии и биомедицины Мария Ведунова, в экспериментах нижегородских биологов использовались вещества, уже готовые для клинического применения. Благодаря им происходит стимуляция выброса раковыми клетками веществ, необходимых для активации иммунитета. Удалось создать вакцину, стимулирующую иммунитет. Мышам вводили специальным иммуногенным способом гибнущие раковые клетки, затем пытались прививать опухоль – и она не росла (!). И это в то время, когда у грызунов злокачественные образования развиваются очень быстро – буквально за один месяц.

Кроме того, биологи изучали 61 ген из числа ответственных за работу иммунной системы. Ученые пытались понять, под действием чего дендритные клетки иммунитета становятся активными «воинами» и вступают в борьбу с онкологией. Исследователи работали с биологическими материалами глиом. Это очень неблагоприятные и опасные образования, плохо поддающиеся лечению. Были найдены разные пути активации иммунитета, создана модель, предсказывающая вероятность развития онкологического процесса. Удалось выйти на молекулярные процессы, которые ответственны за позитивный или негативный исход заболевания. Но это пока доклинические испытания.

Свои достижения есть и у химиков. Основные направления исследований на химическом факультете так или иначе связаны с медициной. Несколько работ посвящены  апатитам – основным структурным элементам зубов и костей. Химикам удалось изменить его структуру. Кроме того, изучалась их биологическая совместимость. В частности, в апатит был встроен атом тяжелого металла – висмута. 

– Все тяжелые металлы обладают биологической активностью – они токсичны для организма. Но исследования показали, что апатит совместим с висмутом, не оказывает отрицательного воздействия. Это шаг к тому, чтобы модифицированные апатиты в будущем возможно будет использовать в регенеративной медицине для лечения поврежденных костей и зубов, – рассказал заведующий научно-исследовательской лабораторией химии природных соединений и их синтетических аналогов Александр Нючев.

Комментарий

Проректор по научной работе Университета Лобачевского Михаил Иванченко:

– Самое значимое событие для университета Лобачевского в 2021 году – его включение в федеральную программу «Приоритет-2030». Стратегические разработки университета – это ответы на современные вызовы. Проект «Здоровое поколение» нацелен на увеличение продолжительности жизни. Проект «Креативная личность» должен ответить на вопрос, какие нужны условия, чтобы человек ярко себя проявил. Очень важный проект «Комфортная окружающая среда»: его цель – разработка передовых методов диагностики состояния окружающей среды, методов ликвидации накопленного ущерба, проектирование городской среды, благоприятной для человека.

Записала Александра Махлина.