Как управиться с рентгеном

Российские ученые обладают технологией, способной обеспечить прорывы сразу в нескольких областях науки и техники. Пока лишь одна отечественная компания создала на ее основе инновационный продукт с высоким экспортным потенциалом.

В конце 1970-х тридцатилетний доктор физико-математических наук Мурадин Кумахов из НИИ ядерной физики МГУ оказался в числе номинантов на Нобелевскую премию - настолько впечатлил мировую науку открытый им эффект. «Когда обычная частица проходит между плоскостями кристаллической решетки - в своего рода каналах с характерными расстояниями порядка 1-2 ангстрем, - частоты колебаний частицы лежат в оптическом диапазоне. Но если частица релятивистская, из-за эффекта Доплера излучение смещается в рентгеновский и гамма-диапазоны. При этом его интенсивность возрастает в сотни и тысячи раз. Я назвал это явление эффектом при каналировании, - рассказывает Мурадин Кумахов. - Я доказывал, что в кристалле должно быть мощнейшее излучение, энергию которого можно менять, меняя ориентацию кристалла».

Советскому ученому никто не верил три года - до тех пор, пока предсказанный им эффект не обнаружили на крупнейшем в то время электронно-позитронном ускорителе «Стенфорд» в США. Вслед за «Стенфордом» факт усиления излучения в кристалле подтвердили все ведущие ядерные центры мира.

Нобелевку молодой доктор наук тогда так и не получил, но его все равно знает весь мир - имя Кумахова носит второе его открытие, не менее яркое, чем первое. В начале 1980-х Мурадин Кумахов, в то время уже руководитель лаборатории в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова, развил свою теорию, связанную с каналированием, и первым в мире предложил способ, позволявший управлять рентгеновским излучением.Линза Кумахова

Ученый показал, что для того, чтобы повернуть рентгеновский луч на несколько градусов, его нужно запустить под определенным углом в узкий канал. Луч многократно отразится от внутренних стенок канала и выйдет из него уже в другом направлении. Данный прием позволяет также сфокусировать рентгеновское излучение. Для этого его нужно загнать в пучок из нескольких тысяч по-разному изогнутых каналов, каждый из которых повернет лучи на свой угол. В итоге на выходе получается фокусное пятно размером в несколько микронов.

Такую сложную многоканальную систему Мурадин Кумахов рассчитал и нарисовал на бумаге в 1984 году. Ему снова не поверили: классическая физика утверждала, что рентгеновским излучением невозможно управлять по определению - его коэффициент преломления близок к единице. Другими словами, проходя через разные среды, рентгеновские лучи практически не отклоняются от своего первоначального направления. Нужно было создать устройство, которое продемонстрировало бы очередной «теоретический эффект» Кумахова.

«В качестве аналога кристаллической решетки, которая образует систему каналов в кристаллах, я использовал капилляры, расположенные по отношению к источнику рентгеновского излучения таким образом, чтобы каждый из них захватывал определенную порцию фотонов. И я показал на практике, что при определенном соотношении радиуса кривизны капилляра, его диаметра и угла падения рентгеновских фотонов эти фотоны можно поворачивать, - объясняет автор открытия. - Такой прием был предложен впервые в мире».

Капилляры, ключевой элемент устройства, изготовили из обычного боросиликатного стекла. Их понадобилось две тысячи - полых трубочек диаметром два миллиметра и длиной около метра. Чтобы придать метровым капиллярам нужную кривизну, потребовалось семь поперечных дисков-держателей. В каждом из них просверлили по 2 тыс. отверстий, в отверстия пропустили стеклянные трубочки. Получилось большое веретенообразное тело, которое и сфокусировало неуправляемый прежде рентген.

Веретенообразный блок управления рентгеновским излучением назвали линзой Кумахова. С ее помощью можно «увидеть» внутреннюю структуру практически любого объекта. При этом разрешение наблюдаемой «картинки» будет примерно в сто раз выше, чем у любого современного рентгеновского томографа.Специалисты считают, что возможность управлять рентгеном может дать мощный толчок развитию 25-30 областей науки и техники, в первую очередь медицины, биотехнологий, аналитического приборостроения, микроэлектроники и геологии. Так, биотеху линза Кумахова обеспечивает принципиально новое качество структурного анализа белков и других веществ; медицине - возможность создать новые поколения рентгеновского диагностического оборудования, способного, в частности, обнаруживать раковые опухоли на самых ранних стадиях развития, и это - при двадцатикратно меньшей дозе облучения.

Однако за четверть века, прошедшие с того момента, как Мурадин Кумахов собрал свой первый блок управления рентгеном, ни одна отрасль так и не предъявила серьезного спроса на обещающую прорыв технологию. Так что у Кумахова есть все шансы повторить судьбу Сикорского и Зворыкина - ученых, чьи прорывные разработки, созданные в России, реализованы были на Западе.Выжить и вытянуть

Любопытных чужаков сюда не водят. Здесь, в цехе московского НПП «Радий», в небольшом отгороженном закутке, установлены вертикальные вытяжные машины. В каждой машине - с десяток датчиков: давления, температуры, скорости и так далее. Рядом - компьютеры, управляющие процессом вытяжки в разных режимах. Так выглядит фабрика, где реализована уникальная технология изготовления капилляров - рентгеновских волноводов для линз Кумахова.

Оператор в белом халате берет заготовку - длинную прозрачную трубку из обычного стекла, поднимается по винтовой лесенке и закрепляет ее над вытяжной машиной. Специальная горелка нагревает стекло, нижний конец трубки размягчается, стекает вниз и попадает в захваты вытяжной машины. По мере расплавления большой трубки из нее вертикально вниз вытягивается тонкая трубочка диаметром 1 мм. При этом на трех уровнях вытяжной машины ее фиксируют зажимы - чтобы не перекашивало.

Когда трубочка достигает в длину 50 см, по бокам вытяжного канала оживают половинки резцов - по команде компьютера они прокручиваются навстречу друг другу и отрезают готовый капилляр. А за ним уже вытягивается следующий: из заготовки диаметром 3 см можно получить до сотни капилляров.

Сделав свою первую линзу «на коленке», Мурадин Кумахов осознал, что только отработанная технология, дающая на выходе рентгеноводы стабильного качества с заданными параметрами, позволит «зашивать» линзы в различные приборы и устройства и управлять рентгеном за пределами научной лаборатории. Создавали эту технологию в 1990-х. Положение ученых осложнялось тем, что в 1991 году лабораторию Мурадина Кумахова выделили из Курчатовского института в самостоятельную организацию, Институт рентгеновской оптики (ИРО), с намерением развивать капиллярную рентгеновскую оптику - новую область науки, родившуюся с появлением линзы Кумахова. Но с начавшимися в стране перипетиями о созданной научной структуре попросту забыли.

Десять лет балансируя на грани выживания, команда Мурадина Кумахова сумела-таки сделать главное - спроектировать, изготовить и отладить уникальные вытяжные машины; разработать программное обеспечение для управления процессом, а также отработать технологические режимы - температуры, давления и скорости вытяжки, при которых толстые трубки превращались в тончайшие капилляры.

На том уровне развития технология позволяла изготавливать монокапилляры с внутренним диаметром 1-2 мм. Линзы первого поколения состояли из нескольких тысяч таких монокапилляров, имели длину порядка метра и фокусировали рентгеновское излучение на пятне в 200-300 мкм.

Приборы на базе этих линз ученые начали собирать в 2000 году. Одним из первых линзу Кумахова испытал Экспертно-криминалистический центр МВД России, для которого ИРО разработал рентгено-флуоресцентный микроанализатор «Фокус». Этот прибор обладает в сто раз большей чувствительностью, чем его аналоги без линзы Кумахова. Он дает возможность проводить структурный анализ не только самих веществ, но и их следов - например, остатков пороха на коже стрелявшего или взрывчатых веществ на одежде организаторов терактов. «Фокус» работает также в одном крупном российском банке. Там его используют для определения подлинности банкнот и контроля содержания драгметаллов в слитках.

К сожалению, в команде Кумахова не оказалось человека, способного грамотно продвигать оборудование такого уровня, не говоря уже о выстраивании эффективной системы продаж. «Приборный бизнес» оставался мелким и доставлял ученым хлопот гораздо больше, чем приносил доходов.Нанокапилляры за нефтедоллары

Столы в стороне от вытяжных машин усыпаны блестящими стеклянными трубочками. Девушки-операторы аккуратно вставляют только что вытянутые миллиметровые капилляры в исходную трубку диаметром 3 см. В одной трубке умещается около 600 капилляров. Теперь заготовкой для вытяжной машины становится уже не пустая, а начиненная капиллярами трубка. Из нее получаются поликапилляры диаметром 1 мм, в каждом из которых - по 600 каналов диаметром 30 мкм. Этими поликапиллярами девушки снова начиняют трехсантиметровую трубку. Процесс вытяжки повторяется, и на выходе из вытяжной машины - поликапилляры уже с 360 тыс. каналов. После четырех таких циклов в поликапилляре будет содержаться около 30 млн каналов диаметром 20 нм.

В 2001 году на ученых вдруг пролился золотой дождь - команда Кумахова получила финансирование от британского инвестфонда с арабским капиталом. Для арабского шейха, как выяснилось позже, сотрудничество с российскими учеными было частью схемы по выводу нефтяных сверхдоходов из-под налогообложения. Но директора ИРО эти детали волновали мало. К тому времени ему было совершенно очевидно, что микрокапиллярные системы, которые научилась собирать его команда, можно использовать не только для управления рентгеном. Подвернувшиеся нефтедоллары он направил на исследование возможных сфер применения микрокапилляров. «Я привлекал лучших ученых Москвы и Петербурга, заказывал им разработки, - вспоминает Мурадин Кумахов. - Наша капиллярная технология оказалась настолько интересной, что из нее выросло сразу несколько направлений».

Над созданием приборов и устройств на основе кумаховских микрокапилляров работали научные группы в ФИАНе, Институте геохимии и аналитической химии РАН, Институте биофизики РАН, Военно-медицинской академии, Институте медико-биологических проблем РАН и в других научных центрах. Поскольку инвестор обещал Кумахову щедрое финансирование как минимум до 2012 года, научный лидер попытался охватить сразу все области, где он видел перспективы для микрокапиллярных систем. В итоге были созданы заделы почти по двум десяткам технологических направлений, в том числе не связанным с рентгеном (см. «У микрокапиллярных систем Кумахова масса многообещающих бизнес-приложений»).

В эти исследования и в развитие самой технологии изготовления капилляров ИРО тогда вложил более 20 млн долларов. В результате ученые перешли от миллиметровых трубочек к наноразмерным капиллярам. «Мы первыми в мире научились делать нанокапилляры, - подчеркивает Мурадин Кумахов. - Это очень сложная технология - управлять формированием нанокапилляров. Нужно точно держать давление в миллионах каналов так, чтобы они не лопались и не схлопывались. Нужно держать определенную скорость вытяжки и держать их самих, чтобы они не перекручивались». Сегодня Институт рентгеновской оптики собирает линзы уже пятого поколения. Эти крохотные поликапиллярные веретенышки длиной меньше сантиметра фокусируют рентгеновское излучение на пятне в 3-5 мкм.

В 2006 году поток нефтедолларов не­ожиданно закончился. Мурадин Кумахов был вынужден сократить свою команду (из 160 человек осталось 45 ключевых специалистов - разработчики, технологи и операторы вытяжных машин) и заморозить три четверти разработок (в первую очередь у сторонних партнеров) на стадии НИР и макетов - доводить их было уже не на что.

Ученым пришлось вернуться к нелюбимому делу - «приборному бизнесу». В общей сложности в распоряжении ИРО на тот момент имелось четыре семейства аналитических приборов на стадии, близкой к готовому продукту, и еще пять - на стадии опытно-промышленных образцов. Единичные продажи этих приборов по сей день остаются единственным скудным источником средств для команды ИРО.Лидер без рынка

Уже четверть века школа Кумахова сохраняет мировое научное лидерство. Однако сами приборы с выдающимися характеристиками на рынок до сих пор по большому счету не вышли. Основная причина в том, что ни один из участников инновационного процесса не проявляет должной активности. Так, у команды ученых по-прежнему нет ни компетенций, ни желания системно продвигать свои разработки. В Институте рентгеновской оптики хотят заниматься «чистой наукой». «Мы намерены и впредь заниматься наукой и двигаться вперед по всем двум десяткам направлений, которые мы начали развивать на базе нашей капиллярной технологии» - такова стратегия патриарха микрокапиллярных систем.

Что касается крупного бизнеса, то он, несмотря на все уговоры президента, не спешит осваивать отечественные инновации. Казалось бы, аналитическими приборами с линзой Кумахова, которые отличаются от традиционных сверхвысокой чувствительностью, должны заинтересоваться компании, чья деятельность связана с добычей и первичной переработкой сырья. Однако они предпочитают покупать готовое импортное оборудование. Так, попытка Института рентгеновской оптики предложить свои технологии «Норильскому никелю» закончилась ничем. «У "Норникеля" в отвалы уходит порядка 0,7-0,8 процента меди, никеля, теряются и благородные металлы. Это большие потери, - говорит Михаил Кумахов, заместитель директора ИРО по маркетингу. - В 2004 году мы предложили "Норникелю" создать рентгеновские анализаторы, способные обнаруживать 0,1-1 грамм платины, палладия в других металлов в тонне руды, и установить их на каждом этапе технологической цепочки - чтобы выявить, где сколько теряется». «Норникель» отказался дать ученым деньги на разработку. Руководство комбината распорядилось приобрести аналогичные приборы за рубежом. Лучший из них может обнаруживать 10 граммов ценных металлов в тонне руды.

Третий участник инновационного процесса - государство - пока не наработал механизмов, чтобы поддерживать команды «чистых ученых», которые обладают технологиями, вписывающимися в обозначенные президентом приоритетные направления технологического развития экономики, но полностью лишены способности их коммерциализовать. Так, у ИРО есть наработки, на базе которых можно создать медицинское оборудование нового поколения. Например, фазо-контрастный рентгеновский анализатор для ранней ди­агностики рака молочной железы способен обнаруживать опухоль размером всего 30-40 мкм - это стадия, на которой онкология успешно излечивается в 85-90% случаев. При этом сама диагностика абсолютно безопасна для организма - интенсивность излучения анализатора совпадает с естественным фоном.

Другой прибор, уже терапевтического назначения, позволяет точно подвести рентгеновское излучение на любую глубину тела - непосредственно к опухоли. При этом опухоль получает необходимую для разрушения раковых клеток дозу облучения, а окружающие здоровые ткани не облучаются вовсе. Эта альтернатива традиционной лучевой терапии, которая убивает в организме все, называется «Игла» (см. «"Игла" достанет опухоль»). По словам разработчиков, с помощью «Иглы» можно адресно уничтожать в том числе неоперабельные опухоли - в головном мозге, печени.

Два года назад госкорпорация «Роснано» начинала вести переговоры с ИРО, однако совместный проект так и не состоялся: составить массу требуемых «Роснано» документов финансово-экономического толка, в частности бизнес-плана проекта, для ученых оказалось непосильной задачей.Как размножить российский хайтек

Единственным субъектом экономики, способным подхватить прорывную разработку ИРО, оказался средний высокотехнологичный бизнес. Рыночную историю успеха для технологии Кумахова организует компания NT-MDT, ведущий российский производитель сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ).

Стратегия развития продуктов NT-MDT подразумевает объединение в одном приборе нескольких исследовательских методов. «Мы первыми в мире совместили сканирующий зондовый микроскоп с рамановским спектрометром, позволяющим проводить анализ химического состава объекта. Получилась единственная в своем роде исследовательская станция NTEGRA Spectra для изучения эффектов нелинейной оптики», - рассказывает Денис Андреюк, руководитель службы маркетинга NT-MDT.

За последние пять лет на рынок были выведены три мощные исследовательские системы такого рода, сочетающие в себе считавшиеся «несшиваемыми» исследовательские методы. Четвертой станет система, которая объединит сканирующий зондовый микроскоп с рентгенофлуоресцентным анализатором (РФА) Института рентгеновской оптики. Она даст исследователям информацию о рельефе поверхности, электрических и магнитных свойствах объекта (это умеет делать СЗМ), а также позволит изучить элементный состав образца (за это отвечает РФА). Знание элементного состава особенно важно при изучении наноматериалов - их специфические свойства часто объясняются наличием или отсутствием в их структуре определенных составляющих, например редкоземельных металлов.

Чтобы интегрировать два прибора в одну систему, разработчикам обеих компаний потребовалось всего три месяца. Первый работающий инновационный СЗМ с линзой Кумахова в апреле этого года был представлен ученым Университета города Жешува (Польша). «Благодаря сотрудничеству с Институтом рентгеновской оптики мы создаем установку для надежной и даже рутинной работы с рентгеном - для исследования субмикронных и наноразмерных объектов. Это уникальный продукт. А на нашем рынке очень важно, когда ты можешь предложить такой набор технических возможностей, которого нет ни у кого из конкурентов. Мы как компания выросли именно за счет таких уникальных продуктов, - подчеркивает Андрей Шубин, коммерческий директор NT-MDT. - В данном случае путь до готового коммерциализируемого продукта оказался очень коротким. У нас уже есть запросы из США, Германии, Индии и России - от лабораторий, которые хотели бы иметь у себя такую установку».

Интегрировав в свой продукт кумаховскую технологию управления рентгеном, NT-MDT создала уникальное предложение и рассчитывает благодаря этому расширить свою рыночную долю (сегодня компания занимает 14% мирового рынка сканирующих зондовых микроскопов). А Институт рентгеновской оптики, в свою очередь, получит для разработки уже освоенный рынок и мощную сеть продвижения и продаж, которой NT-MDT охватила полмира (см. «Спросите у резидента» [1], «Эксперт» № 7 за 2010 год).

Строго говоря, ничего особенного в этой истории нет - таков обычный сценарий совместного развития науки и технологического бизнеса. Однако в нашей стране подобные примеры проходят по статье «исключения»: в России сохранилось достаточно много сильных научных школ мирового уровня, а вот высокотехнологичных компаний, которые уже завоевали рынок и заинтересованы в серьезных инновациях для его расширения, - раз-два и обчелся. Именно по этой причине доля России на мировом рынке хайтека остается ничтожно малой.

Впрочем, капиллярная технология Института рентгеновской оптики позволяет частично решить и эту проблему: практически любое приложение микрокапиллярных систем Кумахова может стать основой для формирования новых высокотехнологичных игроков нашей экономики, продукты которых будут обладать высоким экспортным потенциалом. Но времени, чтобы реализовать этот сценарий, у нас немного. Мурадин Кумахов, которому в этом году исполнится 70 лет, намерен финансировать дальнейшие научные изыскания ИРО за счет продажи патентов на ряд своих разработок на Запад - сегодня это единственный доступный для него источник денежных средств. Можно не сомневаться, что западные компании быстро распробуют инновацию, приобретут права на корневую капиллярную технологию, реализуют ее в различных приборах и устройствах, и нам, как обычно, останется закупать «самое современное оборудование» за рубежом.