Для России наука всегда была одной из ключевых сфер деятельности, нашей общей культурой и национальной гордостью. Молодые ученые страны делают смелый шаг вперед, потому что у них есть твердая опора – лучшие традиции научной школы и опытные наставники. Рассказываем о нескольких перспективных научных разработках и их авторах.
Константин Михеев: Лазерно-индуцированный графен поможет создать датчики глюкозы, датчики влажности или миниатюрные суперконденсаторы
По образованию Константин Михеев инженер, окончил Российский государственный университет нефти и газа в 2010 году, а в 2013 защитил кандидатскую диссертацию по физико-математическим наукам. В первую очередь на решение Константина стать ученым повлияли его родители, которые старались дать ему хорошее образование. После окончания вуза Константин воспользовался возможностью продолжить обучение в аспирантуре в Ижевске. Так и оказался в науке.
Сейчас ученый работает в лаборатории лазерных методов исследований УдмФИЦ УрО РАН. Разработки Константина и его команды направлены на получение новых материалов ресурсосберегающими методами и поиск возможности их применения для создания элементов опто- и микроэлектроники.
«В этих исследованиях мне как ученому интересно составлять гипотезы о том, какими свойствами будет обладать тот или иной материал, как это отразится на его перспективности для различных применений, и затем сопоставлять их с тем, что покажут эксперименты».
Сейчас Константин руководит проектом Российского научного фонда (Проект №22-72-00017). Цель – формирование лазерно-индуцированного графена с варьируемыми параметрами. Это материал, на основе которого можно создавать различные элементы электроники и оптоэлектроники: датчики глюкозы, влажности или миниатюрные суперконденсаторы.
Исследования, говорит Константин, которые проводит команда, важны, потому что существует огромное количество ниш, требующих внедрения новых материалов как с точки зрения удешевления итоговой стоимости продукта, так и с точки зрения улучшения его качеств.
«Взять, к примеру, проблему измерения уровня глюкозы в крови человека. Если мы говорим про носимые датчики (которые крепятся к телу человека и в режиме реального времени отслеживают уровень глюкозы), то сейчас они стоят дорого и при этом сильно подвержены воздействию тепла и влажности. Мы бы могли внести свой вклад в то, чтобы ускорить появление датчиков нового типа, которые будут не так дорого стоить. И, если судить по научным публикациям, они будут более чувствительны и менее требовательны к параметрам окружающей среды», – рассказывает ученый.
«Наши разработки – это винтики в огромном калейдоскопе исследований», – признает Константин.
«Благодаря нашим исследованиям мы научились делать лазерно-индуцированный графен как гидрофобным, так и гидрофильным. Никто не умеет это делать таким способом – у нас даже патент есть. А такая технология важна для тех же датчиков глюкозы – она позволяет не только знать, но и управлять свойствами материала, на основе которого разрабатывается устройство! Или посмотрите на наши исследования фототока в лазерно-индуцированном графене – таких работ вообще в мире еще нет. Именно этим объясняется, например, огромное количество просмотров нашей научной статьи по этой теме».
Мария Безенова: Цифровизация удмуртского языка
С детства Мария Безенова мечтала стать школьным учителем, но стала лингвистом. Она – научный сотрудник отдела филологических исследований УИИЯЛ УдмФИЦ УрО РАН. Сейчас совместно с коллегами ученая занимается подготовкой базы удмуртских текстов и параллельно работает над созданием программ на основе собранных данных.
Более 10 лет Мария принимает активное участие в пополнении лингвистической платформы ЛингвоДок. За это время она подготовила более 50 электронных словарей. Среди них представлены словари по различным уральским языкам, составленные по рукописным архивным материалам, конкордансы (алфавитный перечень всех слов какого-либо текста с указанием контекстов их употребления – прим. ред.) к памятникам письменности, аудиословари по полевым материалам.
«Моя основная исследовательская задача связана с изучением памятников письменности удмуртского языка в сопоставлении с современными диалектными материалами. По этой теме в 2022 году я подготовила монографию «Кириллические памятники на уральских и алтайских языках. III том. Памятники письменности на пяти диалектах удмуртского языка конца XIX ‒ начала XX в.», которая посвящена лингвистическому анализу фонетико-морфологических особенностей пяти удмуртских книг конца XIX – начала XX в.
Последние пять лет ученая занимается вопросами корпусной лингвистики.
В 2019 году Мария стала руководителем программы по созданию информационно-справочной системы «Национальный корпус удмуртского языка».
«Помимо собрания удмуртских текстов в электронной форме в нашу систему интегрированы электронные версии удмуртско-русского (2008) и русско-удмуртского (2019) словарей. Поэтому сайт Национального корпуса удмуртского языка, который разработан нами, востребован не только профессиональными лингвистами, но и всеми, кто интересуется удмуртским языком и культурой удмуртского народа», – поясняет ученая.
Корпусная лингвистика, рассказывает Мария Безенова, – один из самых актуальных разделов современного языкознания.
«Большинство крупных языков мира сегодня имеет свои электронные корпуса объемом в десятки и сотни миллионов словоупотреблений. В последнее время созданию корпусов текстов на языках народов России уделяется особое внимание, поскольку, с одной стороны, корпусные исследования позволяют взглянуть на устройство языка с совершенно иного ракурса, с другой стороны, корпус – это своеобразная форма сохранения языковых данных», – говорит Мария.
Ученая и ее коллеги занимаются не только подготовкой самой базы удмуртских текстов, но и параллельно стараются работать над созданием программ на основе собранных данных. Так, недавно была подготовлена первая версия синтезатора удмуртской речи, которая сейчас находится на этапе совершенствования. В будущем, говорит Мария Безенова, синтезатор речи позволит генерировать искусственный голос, неотличимый от голоса реального человека. Он будет полезен для слабовидящих людей, которые благодаря ему смогут слушать книги. Такой сервис станет незаменимым помощником в обучении удмуртскому языку как детей, так и взрослых.
«Мы живем в стремительно меняющемся и динамично развивающемся обществе, одним из приоритетных направлений которого стал переход к цифровым технологиям. Использование подобных технологий при описании и сохранении языков является общепринятым в мировой практике. Наша работа полностью соответствуют этим тенденциям», – делится о разработке Мария.
Важнейшей задачей в цифровизации удмуртского языка, решением которой Мария и ее коллеги сейчас начинают заниматься, является сбор параллельного русско-удмуртского корпуса, который в дальнейшем будет использован для подготовки машинного переводчика на нейросетях.
«Качественный машинный переводчик на основе искусственного интеллекта открывает новые перспективы для сохранения и развития языка. Так, в сочетании с синтезатором удмуртской речи он позволяет озвучивать мультфильмы на родном языке, поскольку именно этот контент в значительной степени определяет будущий язык детей, является одним из важнейших инструментов в их воспитании. Так с помощью цифровизации мы стремимся сохранить наш родной удмуртский язык».
Надежда Исламова: Биотехнологический способ повышения устойчивости растений с использованием эндофитных симбиотических грибов
Еще в студенческие годы Надежде Исламовой хотелось заняться чем-то помимо учебы. Поэтому она присоединилась к исследованиям и впервые приняла участие в программе УМНИК, которая направлена на поддержку коммерчески ориентированных научно-технических проектов молодых исследователей. Тогда она не получила грант, но этот опыт был ей очень интересен. Так Надежда продолжила заниматься наукой.
«Для меня заниматься наукой означает иметь возможность приносить пользу человечеству, планете, узнавая законы природы, ее свойства и строение. Большое удовольствие и интерес вызывает общение с учеными, которые изучают разные области наук, делают новые открытия и делятся своим опытом», – говорит Надежда.
Надежда окончила УдГУ по направлению «Природоохранное обустройство территорий» (специалитет), «Эколого-экономическое и архитектурно-дизайнерское обоснование проектов природообустройства» (магистратура), и аспирантуру по направлению Биологические науки, специальность Экология. В 2022 году защитила кандидатскую диссертацию.
Вопрос о переезде в другой город из родной Удмуртии просто не стоял, поскольку ученой нравится коллектив, с которым она работает, тематика исследований, и, к тому же, у Надежды и ее команды были научные гранты, которые необходимо было реализовывать.
Сейчас ее исследования связаны с экологией. Ей интересны вопросы охраны окружающей среды, сохранение природного потенциала, уменьшение негативных последствий воздействия человека на окружающую среду.
«Наша разработка является биотехнологическим способом повышения устойчивости растений с использованием эндофитных и симбиотических грибов», – рассказывает о разработке ученая.
На практике разработка еще не используется, проведены только лабораторные опыты и получен патент на изобретение.
«Большинство видов высших растений проводят свою жизнь в ассоциации с микроорганизмами. Так, например, микроскопические грибы помогают растениям более эффективно усваивать из почвы питательные микроэлементы, защищают растения от патогенных организмов и повышают их устойчивость к стрессовым условиям (засуха, повышенные температуры). Мы предлагаем использовать этот механизм симбиотических взаимоотношений для повышения устойчивости растений к техногенным условиям, в том числе – при рекультивации нефтезагрязненных земель, озеленении городских территорий и т. д.».
Эта разработка, рассказывает Надежда, является природоподобной, экологичной технологией. Она позволяет быстро и экономично проводить благоустройство нарушенных, техногенных территорий, озеленять городскую среду, позволяет уменьшить применение химических средств защиты растений, минеральных удобрений.
«В нашей технологии используются местные биологические объекты – эндофитные грибы, которые были выделены из корней древесных растений, произрастающих на техногенных территориях города Ижевска. Считается, что если грибы выделены из загрязненных условий, то они являются более устойчивыми к загрязняющему фактору и могут эту устойчивость передать растениям».
Алексей Калугин: Проблема распространения лазерного излучения в атмосфере
На решение Алексея Калугина стать ученым повлияли книги. В СССР выпускалось довольно много качественной научно-популярной литературы, в том числе, журналы (например, «Наука и жизнь»). Алексею было интересно читать, особенно о достижениях физики. Поэтому в старших классах у него уже было осознание, что он хочет стать физиком. Сейчас его группа в лаборатории машинного обучения УдмФИЦ УрО РАН занимается проблемами распространения лазерного излучения в атмосфере и его взаимодействия с объектами лазерного и оптического приборостроения.
«Одна из таких задач – лазерное сканирование окружающего пространства и объектов. Лазерные сканеры сегодня применяются в самых разных отраслях деятельности человека: лазерная локация, геодезия и навигация, архитектура и строительство, медицина, беспилотные аппараты во всех средах передвижения (воздушные, наземные, подводные, космические аппараты), бытовое и промышленное оборудование (автоматизированные пылесосы, лазерная 3D-печать).
Принцип работы лазерного сканера, говорит Алексей, весьма простой: лазер испускает импульс электромагнитного излучения, который, проходя в среде распространения некоторое расстояние, отражается от объекта и возвращается на фотоприемник. При этом регистрируется время прохождения лазерного импульса туда и обратно. С помощью полученных данных вычисляется расстояние до объекта. Такие измерения выполняются по многим направлениям в пространстве, и строится 3D-карта окружающего пространства.
В отличие от обычных фото-, видеокамер получается трехмерное изображение. Это позволяет, например, построить маршрут передвижения, избегать столкновений при движении, выявлять отклонения от нормы (порывы или сильное провисание проводов ЛЭП, отклонения опор мостов и зданий) для того, чтобы предотвратить крушения и катастрофы.
Несмотря на кажущуюся простоту, лазерные технологии требуют применения самых современных знаний в области квантовой оптики, сверхвысокочастотной электроники, взаимодействия излучения с веществом.
«Современные лазеры становятся все более мощными, а длительность лазерного импульса укорачивается. Сегодня в лазерном сканировании применяются наносекундные лазерные импульсы. Однако ясно, что в ближайшие годы все перейдут на использование пикосекундных лазеров (1 пикосекунда – это одна триллионная доля секунды). Есть работы, посвященные возможностям применения даже ультракоротких фемтосекундных лазеров (еще в тысячу раз короче), которые сулят значительный прогресс в лазерной локации».
Разработки Алексея и его команды позволяют создавать системы лазерного сканирования в режиме реального времени для широкого поля зрения. Обычно в силу ограниченных возможностей современных лазеров и конечности скорости света создают системы, способные сканировать либо только в узком диапазоне направлений, либо сканирующие очень долго (порой часами). Ученые нашли способ обойти эти ограничения.
Эльжибора Касимова: Новый сорт картофеля с удмуртским названием Шудбур (счастье)
Младший научный сотрудник Удмуртского НИИСХ УдмФИЦ УрО РАН Эльжибора Касимова говорит, что конкретного человека, который повлиял на ее решение стать ученой, нет. Но она всегда с уважением и восхищением смотрела на некоторых преподавателей УдГАУ, которые посвящали свою жизнь науке и преподаванию. Эльжибора говорит, что для нее важен поиск ответов на интересующие вопросы: смотреть не поверхностно, а «зрить в корень». Она привела стихотворение Бориса Пастернака, которое полностью отражает ее подход к жизни:
Во всем мне хочется дойти
До самой сути.
В работе, в поисках пути,
В сердечной смуте.
До сущности протекших дней,
До их причины,
До оснований, до корней,
До сердцевины.
Сейчас Эльжиборе интересна генетика. Поскольку она занимается традиционной селекцией, которая, признается ученая, очень энерготрудозатратна и очень длительна по времени, ей хотелось бы усовершенствовать ее – внести молекулярно-генетические методы исследований, которые помогут более эффективно отбирать селекционный материал.
«Я селекционер, а, следовательно, сорт – это моя научная разработка. Новый сорт картофеля Шудбур – среднеранний, желтый с розовыми глазками, мякоть – желтая, форма клубня – округлая, устойчив к раку и золотистой нематоде. Имеет выровненные клубни, разваривается, подходит для приготовления пюре и супов. Наши сорта адаптированы к условиям Удмуртии и обладают комплексом биологических и хозяйственно-ценных признаков», – рассказывает о разработке ученая.
Этот сорт картофеля, говорит Эльжибора, является быстрым и доступным средством повышения эффективности производства, так как снижается пестицидная нагрузка (за счет устойчивости сорта) и имеется адаптированность к нашей почве и климату. Так, жители и аграрии республики могут получать высокий урожай вкусного картофеля.
После создания сорта, рассказывает Эльжибора, проводится патентирование и районирование, которое занимает минимум три года. В 2022 г. были отправлены документы на патент нового сорта картофеля Шудбур, а в 2023 г. – на допуск селекционного достижения к использованию. Сейчас ученые находятся в режиме ожидания, поскольку сорт должен пройти ряд испытаний, только после этого они получат документы и смогут предлагать его крупным производителям.
Игорь Аверкиев: Исследование локальной атомной структуры материалов
Решение заниматься наукой у Игоря Аверкиева возникло после того, как он съездил на свою первую конференцию, благодаря своему научному руководителю. Тогда его впечатлило, что там было очень много умных людей, все рассказывали непонятные вещи, проводили живые дискуссии. Атмосфера, царившая там, не отпускает его до сих пор. После поездки он решил, что хочет влиться в эту отрасль, понимать то, что рассказывают, преподносить свою точку зрения и делать то, что никто еще не сделал до него.
Сейчас область интересов аспиранта, младшего научного сотрудника Физико-технического института УдмФИЦ УрО РАН Игоря Аверкиева – исследование локальной атомной структуры материалов. Как поясняет молодой ученый, это пространственное расположение одного атома относительного другого.
«Количество и химическая сортность атомных соседей определяют характеристики всего объекта. Но как определить количество соседей и на каком расстоянии они находятся? В этом нам помогает рентгеновская и электронная спектроскопия. Регистрируя отраженные от материала рентгеновские лучи или электроны, мы получаем спектральные данные, проводим математическую обработку и узнаем, какие атомы на каком расстоянии расположены, какие у них соседи и сколько их».
Так, ученые объединили два метода исследования локальной атомной структуры в одну математическую модель (EXAFS-спектроскопия и EXELFS-спектроскопия). Объединение двух методов позволяет более точно определять локальное окружение атомов.
«Сейчас идет грандиозная стройка – создается Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ) в Новосибирске. На базе его станций предполагается реализация совместного использования рентгеновского и электронного потока для исследования новых веществ».
Пока что, рассказывает Игорь Аверкиев, о каком-то масштабном практическом применении говорить рано. Тем не менее разработанный ими метод хорошо реализуется на простых системах – металлах и бинарных соединениях.
«Разработка заключается в том, что при исследовании локальной атомной структуры современных материалов часто встречается ситуация, когда материал состоит из металла и легкого элемента, и требуется максимально точно знать их взаимную координацию. Использование синхротронного излучения дает наиболее хорошие результаты, однако трудности возникают при съемке локального окружения вокруг атома легкого элемента».
Эта разработка будет сделана в мировой практике впервые. Математический аппарат предложенного метода может быть легко встроен в уже существующие программные комплексы. Это значительно увеличивает круг потенциальных пользователей и облегчит им работу с экспериментальными данными.
«Представьте, что вы ученый, который занимается исследованием современных соединений, например, двумерных карбидов титана. Расчеты показывают, что полученное комплексное соединение должно обладать хорошими функциональными свойствами, например, высокой проводимостью. Но практике ситуация отличается от того, что предполагалось, надо разбираться, почему».
Оптимальным выходом, говорит Игорь Аверкиев, было бы узнать, как расположены атомы в исследуемом комплексе. Для этого на станции синхротронного излучения в единых вакуумных условиях получаете данные об окружении тяжелых и легких атомов. Анализ этих результатов покажет, насколько правильно прошел процесс синтеза и почему появились отклонения от смоделированных значений.