СКИФ: на что способен новый синхротрон
В наукограде Кольцово Новосибирской области достраивают синхротрон «СКИФ» («Сибирский кольцевой источник фотонов»). На днях объявили, что эксперименты начнутся в октябре. Рассказываем, как работает один из самых ярких фонариков планеты и что удивительного можно разглядеть в его свете.
Самый яркий фонарик
Трудно найти иголку на полу в тускло освещённой комнате. Но с мощным фонариком проще: яркий свет отразится от иголки — и вы её найдёте по блику. Синхротронное излучение как фонарик, только его излучение состоит в основном из рентгеновских лучей, причём очень мощных и сконцентрированных. Благодаря тому что рентгеновские волны очень короткие, в таком свете видны крошечные объекты: живые клетки и их органеллы, молекулы и даже отдельные атомы. Эти лучи могут просветить что угодно. Чем больше яркость, тем чётче картина и тем быстрее её можно увидеть (это важно, ведь процессы в микромире идут на огромных скоростях).
В мире уже появились и более мощные источники синхротронного излучения, но они не пригодны для изучения биологических объектов: жёсткое рентгеновское излучение сразу разрушает их. А на СКИФе смогли добиться невиданной ранее экстремальной фокусировки пучка, дающего максимально сфокусированный свет, поэтому для живых объектов ярче фонарика нет.
Синхротронное излучение предсказали в 1944 году советские физики Дмитрий Иваненко и Исаак Померанчук: они поняли, что если разогнать по кругу электроны до скорости, близкой к скорости света, то они, вращаясь, будут сбрасывать часть энергии в виде излучения. Оно включает весь спектр: и видимый свет, и ультрафиолет, и инфракрасное, и рентгеновское излучения.
Чтобы получить синхротронное излучение, строят синхротрон — это ускоритель частиц размером со стадион, по «беговой дорожке» которого летят электроны. За секунду электрон успевает облететь полукилометровое кольцо сотни тысяч раз. Но энергия электрона быстро тратится, поэтому, чтобы скорость не падала, вместе с поворотными магнитами вдоль кольца ускорителя расставляют мощные акселераторы, которые компенсируют электронам энергетические затраты.
Пролетая мимо отходящего от кольца канала, пучок электронов отправляет туда порцию излучения — сотни миллионов раз в секунду. Ни одна кинокамера не снимает с такой частотой. Имея на конце рукава соответствующую оптику, можно снимать своего рода «рентгеновское кино», чтобы разобраться в сверхбыстрых процессах.
Кто последний на синхротрон?
Такая мегамашина нужна всем: от вирусологов до историков. Синхротронное излучение уже позволило установить структуру рибосомы — «фабрики белков» живой клетки. Кристаллограф Ада Йонат получила за эту работу в 2009 году Нобелевскую премию по химии.
На синхротронах изучают и отдельные биомолекулы: 70% изученных белков «рассмотрели» именно на этих установках. В марте 2020 года британский синхротрон третьего поколения Diamond Light Source помог быстро расшифровать структуру поверхностного белка коронавируса SARS-CoV-2 и начать поиск лекарства, которое бы этот белок блокировало. Но для этого пришлось очень долго и мучительно выращивать белковый кристалл (удачным оказывается один из тысячи). А с яркостью СКИФа, синхротрона четвёртого поколения, можно будет рассмотреть тайную жизнь вирусов без кристаллизации — в динамике, в естественных условиях. Если на синхротронах третьего поколения с помощью рентгеновской оптики учёный собирал сигнал с пятна в 100 нанометров, то на СКИФе он сможет видеть детали в 10–20 нанометров без всяких линз — просто за счёт физики пучка. Это критически важно для изучения структуры биомолекул, или трещин в композитах, или окисления батареек в реальном времени и ещё многого другого.
Что касается историков, одно из самых замечательных открытий, сделанных с помощью синхротрона, произошло в феврале 2024 года: нейросети научились читать сгоревшие рукописи. Извержение Везувия в 79 году нашей эры погребло большую библиотеку папирусов в Геркулануме. Это единственная сохранившаяся античная библиотека, вот только свитки превратились в обуглившиеся головешки.
Но профессор Брент Силс придумал, как прочесть свитки, не открывая их: с помощью сканирования рентгеновским излучением на синхротроне он получил трёхмерные сканы тысячи срезов папируса, сделанные с высочайшим разрешением. Чернила чуть плотнее бумаги, это можно обнаружить на рентгеновских снимках, и теперь искусственный интеллект успешно расшифровывает эти свитки. В феврале 2024 нейросеть, созданная командой студентов, расшифровала отрывки первого текста — несколько сотен слов!
Где ещё пригодилось синхротронное излучение?
Внутри опухоли
Разбивая пучок синхротронного излучения на много маленьких «иголок» толщиной несколько тысячных миллиметра, его можно использовать, чтобы облучать раковые опухоли — так, чтобы здоровые клетки получали гораздо меньшую дозу радиации и оставались живы.
На картине
В 2001 году талибы взорвали гигантские статуи Будды, украшавшие храм в афганском городе Бамиан. За развалинами обнаружились росписи VII века нашей эры. Анализ росписей, сделанный на французском синхротроне ESRF, показал, что их нанесли масляными красками. А ведь когда-то считалось, что масляные краски изобрёл голландский художник Ян ван Эйк, живший на семь столетий позднее древних афганских мастеров.
В микрочипах
Луч синхротрона позволяет просветить микропроцессор и узнать, все ли детали собраны правильно, а ещё — не встроен ли в него секретный чип-шпион.
Для определения типа атомов
Это фото в 2023 году попало на обложку научного журнала Nature. На нём — изображение кольцеобразных супрамолекул, включающих шесть атомов рубидия и один атом железа. Первые рентгеновские снимки отдельных атомов, сделанные с помощью синхротронного излучения, позволяют не просто увидеть атомы, но и отличить атомы разных химических элементов друг от друга. До сих пор методы рентгеновской визуализации могли отображать только группы из тысяч атомов. А новый метод рентгена атомов, суть которого — в объединении сверхъяркого синхротрона и сканирующего туннельного микроскопа, позволяет увидеть не просто каждый атом, но и его тип.
