Свои исследования в областях молекулярной медицины и сплавов Гейслера с памятью формы в НИТУ «МИСиС» впервые представили пионеры международной программы «Postdoc research» в России.

Постдок Аруп Ратан Мандал (университет Вишва-Бхарати, Индия) рассказал о разработке биологических молекулярных тестов, быстро и без посещения больницы распознающих социально значимые заболевания с помощью технологии диагностики на генном уровне, а постдок Владимир Соколовский (Челябинский госуниверситет) — о сплавах Гейслера с памятью формы и перспективах создания магнитного холодильника.

Международная программа «Postdoc research» — это привлечение для научной работы в вузы молодых учёных со степенями «PhD» либо «кандидат наук» и международным опытом работы. НИТУ «МИСиС» был первым российским университетом, который в 2012 г. запустил пилотный проект по привлечению постдоков. Конкурс по отбору докторантов с международной научной практикой продлился почти полгода. По его результатам университет заключил договора с тремя молодыми учёными, каждый их которых имеет не только степень кандидата физико-математических наук или PhD, но и опыт участия в зарубежных проектах, не менее двух десятков статей в специализированных журналах и высокий индекс цитирования.

«Чтобы человек вошёл в серьёзную науку, ему требуется постдокторальная практика, поскольку она даёт возможность углубить свои знания и умения, не отвлекаясь на процесс преподавания, — сказал завкафедрой теоретической физики и квантовых технологий НИТУ «МИСиС» Сергей Мухин. — Во всём мире постдок, в первую очередь, рассматривается как значительная научная сила».

Постдок Аруп Ратан Мандал работает над созданием общедоступных высокоточных биологических молекулярных тестов, которые позволят быстро и без посещения больницы распознавать социально значимые заболевания с помощью явления квантовых точек.

«В человеке почти всегда есть те или иные белки, определённая концентрация которых характерна для некоторых видов болезней либо, например, показывающая, ждёт ли женщина ребёнка, — отметил Аруп Мандал. — Сегодня большинство быстрых тестов могут только ответить на вопрос, есть специфический белок или его нет. Как, например, с беременностью — или да, или нет. Т.е. современные тесты не могут дать ясность о наличии или отсутствии болезни (в т.ч. рака, простатита). Мы стремимся создать решение на основе явления квантовых точек, которое позволило бы проводить экспресс-диагностику на более глубоком, качественном уровне, дающем ответы на такие вопросы. Квантовые точки это своего рода маркеры, которые «выделяют» концентрации искомых белков и измеряют их».

По его словам, научная группа также стремится создать тесты, превосходящие аналоги не только по качеству, но и конкурирующие с ними по цене: в среднем их стоимость должна быть ниже на 20–30%.

Для проведения такого экспресс-теста подходит практически любая субстанция, в т.ч. слюна, кровь, молоко.

На данный момент Аруп Ратан Мандал работает над новыми методами синтеза и исследует структурные и оптические свойства наночастиц биологического назначения. Частицы металлов и полупроводников в наноразмерном состоянии (менее 10 нм, квантовые точки) благодаря т.н. эффекту поверхностного плазмонного резонанса обладают рядом уникальных оптических и электрических свойств (электро- и фотолюминесценция, аномальное поглощение в узких диапазонах волн и т.п.).

Квантовые точки позволяют визуализировать процессы, происходящие на молекулярном уровне, что делает их незаменимыми для использования в биологии, экологии, медицине для исследования различных процессов в живых системах или их анализа на заданные вещества. На основе разрабатываемых материалов будут созданы быстрые биологические тесты для внеамбулаторного анализа, которые позволят диагностировать опасные социально значимые заболевания (онкологические, иммунные) на ранних стадиях, без посещения больницы.

Исследование постдока Мандала проходит под руководством Дениса Кузнецова, заведующего кафедрой «Функциональные наносистемы и высокотемпературные материалы» НИТУ «МИСиС», в разработке принимает участие профессор МГУ им. М.В. Ломоносова Александр Осипов. В свою очередь, научная работа постдока Владимира Соколовского под руководством доктора физ.-мат. наук Владимира Ховайло (НИТУ «МИСиС») посвящена исследованию сплавов Гейслера с эффектом памяти формы, которые уже в ближайшие несколько лет позволят, например, создать высокоэффективный магнитный холодильник — устройство, идущее на смену нынешним фреоновым аналогам и отличающееся бесшумностью и почти на 40% меньшим потреблением энергии.

Сплавы Гейслера это тройное интерметаллическое соединение с химической формулой Х2YZ. Наиболее широко на практике используется сплав Гейслера вида Ni2MnGa. Сплав Гейслера проявляет память формы и сверхупругость и возможность управления этими эффектами с помощью магнитного поля, вплоть до изменения на глазах формы предмета из сплава при поднесении к нему магнита (!). Память формы вызывается мартенситным фазовым переходом. Магнитное поле влияет на параметры мартенситной фазы вследствие магнитоупругого взаимодействия.

Обычные бытовые холодильники основаны на компрессионном принципе. Охлаждающая жидкость под сильным давлением выталкивается в испаритель, который находится внутри холодильной камеры. В момент возвращения к нормальному давлению жидкость превращается в пар, забирая при этом тепло из внешней среды. У этих холодильников есть ряд недостатков: охлаждающая система требует много места, производит шум, потребляет много электроэнергии и требует специальной утилизации (в качестве хладоагента применяются фреоны, а при попадании в атмосферу эти вещества разрушают озоновый слой). Поэтому сегодня ученые всего мира работают над созданием магнитных холодильников. Эти приборы будут работать благодаря магнетокалористическому эффекту. Некоторые вещества способны нагреваться при воздействии магнитного поля, а затем, после его выключения, резко охлаждаются до меньших температур. Уже существуют первые модели магнитных холодильников, но широкого применения они пока не получили из-за недостаточной эффективности. Сегодня необходимы методы создания новых материалов с магнетокалористическим эффектом и способы точной оценки их свойств.

Перспективными материалами для создания таких холодильников являются сплавы Гейслера. Первоначально так называли сплавы марганца с двумя другими металлами, но теперь под сплавами Гейслера понимают любые тройные сплавы, образованные атомами металлов с определенным строением электронных оболочек. Свойства атомной структуры таких сплавов приводят к ряду интересных физических свойств. Все сплавы Гейслера — ферромагнетики, то есть способны намагничиваться во внешнем поле, но не проявляют магнитных свойств в его отсутствие. Все они хорошо проявляют магнетокалористический эффект.

Владимир Соколовский и доктор Ховайло работают над теоретическим исследованием фазовых превращений (магнитных, структурных, связанных магнитоструктурных), магнитных, структурных и теплофизических свойств моно и поликристаллических сплавов Гейслера с эффектом памяти формы Ni-Mn-X и Ni-Mn-X-Y (X = Ga, In, Sn, Sbи Y = Fe, Cu, Co, Cr) с помощью первопринципных и Монте-Карло-методов. Сплавы Гейслера также являются перспективными материалами в области создания миниатюрных силовых устройств, манипуляторов, в спинтронике при создании элементов хранения информации, а также в охлаждающих устройствах, работающих на принципе магнитного охлаждения.

На Западе институт постдокторнатуры давно получил заслуженное признание научного сообщества. Его основные цели — повышение квалификации начинающих учёных, использование их в качестве активного кадрового резерва. Срок, в течение которого человек может сотрудничать с университетом по контракту Postdoc research, обычно не превышает трёх лет. После его окончания постдок, как правило, ищет себе другое место работы или возвращается на Родину, если он приглашён из-за границы по временной визе.

На конкурс в НИТУ «МИСиС» было подано более 40 заявок. Из них две трети принадлежали иностранным соискателям, одна треть — российским.

«Прежде чем внедрять программу в нашем вузе, мы проделали долгий путь, — отметила ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова. — Необходимо было оценить зарубежный опыт по привлечению постдоков, понять, какими возможностями МИСиС обладает для его использования. В результате тщательной подготовки нам удалось осуществить пилотный проект, который уже сегодня доказал свою состоятельность. Этому способствовала и коллективная работа сотрудников университета, и его высокотехнологичная исследовательская база».

В 2014 г. в рамках реализации программы повышения конкурентоспособности НИТУ «МИСиС» среди ведущих мировых научно-образовательных центров планируется заключить контракт ещё с 10 молодыми постдокторантами. По результатам 1-го конкурса, проходившего в январе-феврале 2014 г., победителями объявлены 3 молодых ученых: С.Дубинский, О.Векилова, А.Косогор. В данное время проходит 2-ая волна конкурса (до 16.06.2014) на соискание ещё 7 вакансий.

Со всеми победителями конкурсов 2014 г. будет заключен контракт на 2 года. В 2015 г. в рамках упомянутой программы планируется привлечь ещё 10 человек, начиная с 2016 г. и в последующие планируется привлекать по 17 человек ежегодно.