Стенограмма шестой лекции из цикла Томские популярные лекции ТЕХНОЛОГИИ БУДУЩЕГО: ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Евгений Грибов, участник команды проекта «Томские популярные лекции» Добрый вечер, уважаемые горожане. Сегодня мы продолжим наш цикл Томских популярных лекций по приоритетным направлениям проекта «ИНО Томск 2020». Сегодня состоится уже шестая лекция. Вы знаете, что цикл состоит из семи лекций. Сегодня мы с вами почти приблизились к завершению. Когда мы готовили в прошлом и в этом году цикл этих лекций, то мы думали, что одна из самых завораживающих и необыкновенных технологических областей носит название «Нанотехнологии». Но в процессе подготовки этой лекции мы поняли, что мы совершенно ошибались, и мир плазмы, плазменных технологий, наверное, также, а возможно гораздо более интересен, более динамичен. Фактически, это та область, которая появилась в 60х годах, и за последние 50 лет получила наибольшее развитие по сравнению с другими областями и технологиями. Будущее – это необыкновенная область. Сегодня у нас два лектора. Это Андрей Владимирович Козырев. Андрей Владимирович - заведующий кафедрой физики плазмы Томского государственного университета, профессор, доктор физико-математических наук и заведующий технической лабораторией Института сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук. Вторым лектором выступит Владимир Фёдорович Пичугин. Владимир Фёдорович - заведующий кафедрой теоретической экспериментальной физики Томского политехнического университета, профессор, доктор физико-математических наук. Мы договорились с лекторами, что Андрей Владимирович представит устройства области плазменных технологий, а Владимир Фёдорович представит применение плазменных технологий в медицине. Слово Андрею Владимировичу, пожалуйста: Андрей Козырев, заведующий кафедрой физики плазмы ТГУ, доктор физикоматематических наук, профессор, заведующий теоретической лабораторией Института сильноточной электроники СО РАН Спасибо, я рад приветствовать молодую аудиторию здесь. Надеюсь, вас привел сюда не только долг, но и любознательность. Поэтому мы начнём нашу лекцию. Я буду показывать вам презентацию и комментировать более общие вопросы не только устройства, но и вообще говоря, что такое плазменные технологии. Особенно это надо рассказать людям, которые не имеют специального физического или физико-технического образования, поэтому мы подойдём к этому немного издалека. Я, конечно, рассчитываю, что вы физику в пределах школьной программы всё-таки знаете. Давайте мы сначала определим, что такое плазма. В науке этот термин определяется однозначно. Я вам буду показывать, как это примерно будет выглядеть, если хотим ознакомить с этим понятием более широкую аудиторию. Плазмой можно считать ионизованное состояние вещества – это одно из определений. Следующее определение – что это более сложный ансамбль частиц, примерно, равного количества положительно и отрицательно заряженных 1
частиц, т.е. это расшифровка ионизованного состояния. Следующее определение - что плазма представляет из себя подвижную среду, похожую на жидкость и на газ, но и взаимодействующая, поскольку частица заряжена с внешними электрическими магнитными полями. Можно выделить ещё одну черту у плазмы - это движение самой среды заряженной частицы, способной генерировать собственные электрические магнитные поля, т.е. она подчиняется внешним полям. Но и собственные поля генерируют таким образом, что среда получается достаточно своеобразная. Последний термин, что плазма обладает специфическими свойствами, вызванными тем, что это заряженные частицы, которые отличают её от свойств газов, жидкостей и твёрдых тел. Поэтому плазму называют четвертым состоянием вещества, т.е. три состояния агрегатных мы знаем со школьной скамьи, а плазма - это четвертое состояние, которое отличается от трех предыдущих. Для того, чтобы понять как плазма используется и для чего её делают, давайте сначала определим некие основные свойства плазмы. Итак, сколько нужно энергии для того, чтобы разбить маленький кусочек льда? Фактически, его потребуется уронить с высоты 1 метр или 0,1 Дж, и он разобьётся на 2 кусочка или больше. Если мы хотим этот кусочек льда расплавить, нам уже потребуется энергии во много раз больше. Цифра, знакомая школьникам, - 330 Дж/гр. Это температуры плавления. Мы заставили молекулу воды двигаться, т.е. не стоять в виде решётки, а двигаться. Если мы хотим эти молекулы воды разделить на отдельные молекулы, мы должны воду испарить и превратить в пар. На это ещё требуется энергии в несколько раз больше. Если оторвать молекулы друг от друга, то нам необходимо совершать работы и вкладывать энергию. Если мы хотим разложить воду на молекулы, разложить её на водород и кислород, то нам ещё больше требуется энергии. Таким образом, вы видите, как достаточно быстро растёт масштаб энергии. Мы можем перевести газы в атомарное состояние. Вы знаете, что водород и кислород - это двухатомные молекулы. Их можно разорвать ещё на отдельные атомы - на водород и кислород. На это потребуется определенно е количество энергии. Но если мы хотим ионизовать эти атомы, т.е. собственно превратить это вещество в плазму, то еще надо определенное количество энергии. Мы видим, что если мы создали хотя бы водородно-кислородную плазму, то мы должны вложить энергию, причём этой плазмы оказалось немного, всего лишь 1 см3 льда. Мы делаем с ним превращения, поэтому если она уже есть, значит мы уже сильно вложились. Но как вложить большие деньги в большой капитал, чтобы построить завод? Нужно сначала вложиться, а потом он что-то начнет делать. Плазма, примерно, такое же устройство просто на многогранном уровне. Мы сначала должны вкачать в нее энергию, а потом дальше попытаться эту энергию использовать в полезных для нас целях, иногда и вредных для кого-то. Какие виды плазмы бывают? Я здесь поясню немного. Есть высокотемпературная плазма - это плазма, управляемая термоядерным синтезом. Её еще называют горячей плазмой, т.е. когда мы искусственно хотим зажечь термоядерную реакцию, которая протекает естественно, например, на звёздах. У нас солнце и все звёзды светятся, поэтому остальной вид горячей плазмы - это астрофизика. Как показывает наблюдение, практически, 90% всего вещества во Вселенной - это плазма. Таким образом, три агрегатных состояния - это довольно маленькая часть всего 2
вещества во Вселенной. Нас будет интересовать только низкотемпературная плазма, её ещё иногда называют холодной плазмой, т.е. та плазма, которая находится в светильниках дневного света. На ощупь они тёплые, т.е. там миллиона градусов, конечно же, нет. Поэтому её называют низкотемпературной. Я бы хотел отметить возможные области применения в будущем, о которых мы немного поговорим с моим коллегой. Это плазменные источники заряженных частиц. Поскольку в плазме ионизация уже произошла, можно оттуда с помощью электрических и магнитных полей извлекать частицы, либо положительные, и тогда получается ионный поток положительных ионов, либо отрицательные, если, например, получается ионный поток. Данная область плазменных источников заряженных частиц достаточно большая, и без них не обходится ни одна плазменная технология. Надо эти частицы заряда не только создать, но и куда-то направить. Второе, это источники света. Источник света, который мы все видим, это плазменный источник света. Электрический ток проходит через газ, он светится, и мы этот свет используем для своей пользы. Первый источник света был на основе дугового разряда. Электрическую сварку все видели? На основе электрической сварки был создан первый источник света в 1848 году. Была освещена была площадь в Париже, площадь оперы. Это был как показательный аттракцион. В течение двух минут такая дуга горела, и одна маленькая частица плазменного состояния освещала всю площадь. Если зажечь сварочный аппарат, то все примерно знают, что яркость довольно большая. Если учесть, что в то время горели газовые фонари или обычные свечи, а кое-где даже лучины, то этот свет, конечно, производил впечатление, ели бы мы сейчас зажгли какой-нибудь факел, который мы никогда в принципе видеть не могли. Так что в начале это был аттракцион. Потом появились плазменные технологии обработки материалов. Мы о них поподробней поговорим и посмотрим, как это делается, и где это может быть использовано. Последняя область - плазмохимия, которой я касаться совершенно не буду, поскольку в энергосодержащей среде иногда можно осуществить такие химические реакции, которые в обычной холодной химии не идут. Например, существует реакция между атомами благородного газа, о которых мы знаем, что они потому и называются благородными, потому что они в химическую реакцию не вступают. В плазме эти газы вступают в реакцию, образуют соединения, образуют двухатомные молекулы - ионы. Это отдельная область, которая позволяет создавать вещества, которые в обычной химии пока не подвластны, а плазмохимия этим занимается. Основной способ создания плазмы - это электрический разряд, т.е. пропускание электрического тока через газ. За счёт прохождения электрического тока газ ионизуется, сам себя поддерживает, и энергия в этот газ вкачивается. А дальше мы можем этот электрический заряд использовать для того, чтобы это плазменное состояние куда-то перемещать. Это и есть введение. Как выглядит плазма? Слева на фотографии вы видите большое мутное пятно - это объёмное свечение плазмы. Мы привыкли, что светится всегда какая-то поверхность - накалённая поверхность раскалённой плитки или уголька. Иногда мы видим свечение пламени костра, и то это пламя поверхностное, т.е. мы видим свечение поверхностного слоя, а не глубины. А плазма 3
светится объёмно, поэтому все её излучения, где бы она ни возникла, в объёме выходят наружу, и мы её видим. Поэтому кажется, что это туман. Справа на фотографии изображен поток плазмы, который поджат магнитным полем. Магнитное поле влияет на заряженные частицы, и нам удаётся видеть в виде сопла и двигателя, т.е. истекает поток плазмы, и мы можем направлять с помощью внешних электрических полей. Для того, чтобы показать масштаб, левая картинка соответствует, примерно, объёму 1 м3 - это плазменное состояние. В камере, в которой откачен воздух, находится разряженный газ. В нём зажигается разряд и получается такое плазменное состояние. С помощью электрических полей можно создать плазменный двигатель и направить на нужный нам объект, собственно, о чём мы собрались сегодня разговаривать. Вот один из примеров плазменных технологий. Поскольку плазма, как правило, подразумевает, что газ должен быть разряжённым, то создать плазму в газе атмосферного давления не удаётся в больших объёмах, т.к. не хватает энергии. Мы уже говорили, чтобы ионизовать 1 см3 льда требуется какое-то колоссальное количество энергии, поэтому у нас энергия обеспечивается мощностью источников питания. Если мощности источников питания хватает, чтобы ионизовать газ атмосферного давления в объёме 1 мм3, то это и будет плазмой. Мы такие примеры тоже увидим. А если мы хотим сделать 1 м3, то газа надо поменьше, т.е. его надо предварительно откачать, и в нём уже зажигать разряд. Слева расположен рисунок с деталями, которые подвергаются плазменной обработке. Они сначала помещаются в благородный газ – аргон, и зажигается газовый разряд. Плазма состоит из заряженных частиц, которые с помощью электрических полей ускоряются до больших энергий. К примеру, средняя кинетическая энергия 1 молекулы воздуха в обычных условиях составляет, примерно, 0,03 электрон-вольт. Средняя энергия электрона в плазме ионов составляет 1 электрон-вольт. Поэтому, если такой ион или электрон ударяется о поверхность металла, то это как будто он ударился при температуре в 100 раз больше, чем комнатная. У нас в комнате температура 300о по Кельвину, а в сто раз больше температура - это 3000о. Так в этой плазме частица бомбардирует поверхность твёрдого тела как будто бы они нагреты до такой температуры. Предварительный этап любой технологии - это отчистка поверхности, которую надлежит обработать. Её делают обычно в инертном газе, поскольку он не взаимодействует с химически обрабатываемой поверхностью. Затем мы заменяем газ, не открывая камеры, т.е. выкачиваем аргон и закачиваем азот, и включаем ещё раз разряд. Средняя картинка показывает, что начинает гореть разряд в азоте. Мы видим, что получается другой цвет, поскольку светится другое вещество. Это другое вещество предназначено для других целей. Азот ионизуется, ионный азот бомбардирует поверхность твёрдого тела, проникая глубоко внутрь, и получаются нитриды металлов. Эти нитриды обладают прочностью, примерно, в несколько десятков раз выше, т.е. поверхностный слой металлов становится очень прочным. Есть закалённая сталь, есть мягкая сталь, а здесь получается крепче, чем закалённая сталь, примерно, раза в три. Но этот процесс длительный. Необходимо, чтобы ионы азота очень долго проникали в глубь. С помощью плазменных технологий удаётся этот процесс ускорить по сравнению с традиционным. Можно выдерживать деталь просто в нагретом азоте при температуре 1000о Кельвина в течение 4
нескольких суток. С помощью плазмы тот же эффект можно получить в течение нескольких часов – трех или пяти. Явно, что процесс производительности будет больше. Но здесь есть нюансы - надо создавать разряд. И в конце мы видим результат датирования. Во-первых, меняется цвет. Во-вторых, поверхностные свойства становятся модифицированными, эти детали более прочные. Если это какие-то автомобильные детали, то они будут дольше служить, допустим, в 2-3 раза. Мы понимаем, что этот ресурс в автомобиле - большая экономическая выгода, т.к. кап. Ремонт приходится делать в 2 раза реже, чем он делается при традиционных технологиях. Пример внедрения плазменных технологий. Внизу слева представлена картинка, как выглядят обрабатываемые детали - фрезы, шестерёнки, которые находятся среди азота, и горит плазменный разряд. Справа показано, как выглядит внешний вид установки. Такая установка внедрена у нас на Томском заводе. Мы традиционно сотрудничаем с нашими предприятиями, особенно с инструментальными, поскольку там в первую очередь полезно упрочнение особенно тех инструментов, которые назначены для резки металлов и различной механической обработки. Также показаны примеры сотрудничества, примеры внедрения науки и пример использования плазменных технологий. Но я бы сказал, что такая традиционная технология используется уже лет 30. Она, конечно, удорожает наш нынешний инструмент. Если бы не экспансия китайского инструмента, мы бы, наверное, давно уже были богатыми. Но оказалось дешевле купить 10 свёрл, которые затупятся, чем сделать одно такое. В этом смысле мы немного деградировали с точки зрения технологического использования нашего инструмента. Те, кто занимается домашним хозяйством, понимают, что действительно, когда купишь свёрла, начинаешь сверлить, три дырки сделал и всё. Вот такое сверло в своём институте на точной электронике, в частности, в 80-х годах для себя лично отведали топоры и ножи. Такие топоры и ножи не требовали заточки, потому что они твёрже обычных, примерно, в три раза. Ещё один пример холодной плазмы, на котором я останавливаться не буду, на которую опять-таки есть внедрения с Томским кардиоцентром, это плазменный скальпель, когда мы с помощью электрического разряда можем создать разряд в маленьком объёме. Здесь, примерно, 18 таких отверстий, в которых зажигается электрический разряд. Но поскольку здесь плазма очень энергичная, если мы поднесём такой прибор с горящим разрядом к ткани, то ткань разрушается, причём не важно, что там будет - кожа, кости или мясо. То есть для скальпеля всё равно, что резать - кости или мясо, потому что с точки зрения плазмы это одинаково податливые материалы. Но самое главное, что есть положительный эффект параллельно с процессом разрушения ткани, т.е. существует ещё разрезка и коагуляция крови, так что случаев кровотечения, как показали опыты, в 10-15 раз меньше, чем при традиционных методах. Там надо пережать сосуды, потом только делать резку. А здесь происходит коагуляция. Это примеры на ткани животного, в данном случае, свинина. Плазменный метод нанесения покрытий – это основная доля современных плазменных технологий. Мы о них немножко поговорим, но я их сначала все озвучу. Каждый остановится на том, что ему ближе, и что он может сказать. Примерно, такие типы покрытий можно делать с 5
помощью плазменных технологий. Это декоративные, все их видели, разные флакончики, пузырьки, помады, блестящие надписи, рисуночки. Можно сделать плёнку с покрытием таким. Я образцы некоторых наших продуктов с плазменным нанесением покрытий на столе выложил, можете потом после лекции подойти и посмотреть. Это лавсановая плёнка с металлическим покрытием, можете покрутить, как зеркало использовать. В данном случае плёнка сделана для космических аппаратов, чтобы отражать солнечный свет и делать теплоизоляцию аппаратов. Это покрытие на стёклах, мы о них тоже поговорим. Также защитные покрытия, защита от коррозии. Мы можем покрыть один металл другим металлом, и он перестанет ржаветь. Во всяком случае, он будет ржаветь в десятки раз медленнее. Это упрочняющее покрытие, я про него говорил. Из износостойких покрытий мы можем сделать две трущиеся поверхности, например, сустав или протез сустава, обработать с помощью плазмы, и ресурс вырастает в несколько раз. Это электропроводящее покрытие очень полезно иногда сделать, чтобы диэлектрик, на котором накапливалось статическое электричество, все-таки с него стекало. Например, если сделать плафон у самолёта или у истребителя, то его удобнее сделать не из стекла, а из пластика. Пластик легче, твёрже, его легче обрабатывать. Но у пластика есть нехорошее свойство: диэлектрик накапливает статические заряды, возможно, микроразряды, и электроника портится, а потом притягиваются различные пылинки. Поэтому, если стекло сделать слегка проводящим, чтобы он не потеряло прозрачности, то заряды будут стекать на корпус, на землю, и у нас будет лучше с этим покрытием. Дальше водоотталкивающее покрытие – это энергосберегающее покрытие. На столе выложены примеры энергосбережения, когда у нас стекло обладает очень интересными свойствами, которые позволяют нам экономить тепло внутри комнаты, внутри помещения по сравнению с уличным. Зеркальное покрытие - самое понятное всем. Можно сделать зеркало не с помощью традиционных технологий с испарением и нанесения гальванического, а с помощью плазменных технологий. Пример нанесения покрытия на стекло приведён здесь: два человека-техника держат архитектурное стекло, примерно, 2 м шириной. В этой установке происходит напыление, и это стекло поставляется для строителей, которые стеклят с его помощью обычные дома. Здесь показано, как выглядит внутренность этих установок: есть специальное магнетронное устройство. Плазма распыляет материал, который необходимо нанести на стекло, он испаряется под действием плазменного сцепления и переносится на металл. Есть другая конструкция. На рисунке показано, как внешне выглядит устройство. После того, как разряд зажгли, получилось прижатое светящееся состояние. Это плазменное состояние в этих установках. На столе в мультифоре лежит образец энергосберегающей пленки. Вы можете посмотреть, она почти прозрачная. Коэффициент отражения инфракрасных тепловых лучей - 80%, т.е. с точки зрения тепловых лучей она ведёт себя как зеркало. В нашу комнату солнечные излучения проникают с потерей в 20%, т.к. стекло прозрачное. Обратно тепловые излучения, которые в комнате генерируются нашими тёплыми предметами, выйти наружу не могут, потому что для него это зеркальная поверхность. Таким образом, удаётся снизить тепло потери через наши стёкла, примерно, в 2-3 раза по сравнению, если напыление не производить. Также есть пример стеклопакета с напылением. Если вы на него посмотрите, покрутите, то может показаться, что он ничем не отличается от обычного, но 6
коэффициент теплопотери через такое стекло в три раза ниже, чем коэффициент стеклопакета без покрытия. В качестве аналога взят цветок лотоса. Лотос обладает таким свойством, что если капельку на листик положить, то она скатывается, не смачивая сухого листа. Но под микроскопом этот цветок выглядит так, как будто там есть бугорки, которые сами состоят из волосков. Эти волоски не смачиваются водой, и поэтому капли на нём не задерживаются. По такому же примеру сделано плазменное покрытие на стекле. Есть обычное стекло, и мы видим, что капельки лежат как на обычном чистом стекле. А есть стекло, обработанное покрытием. Здесь вы видите, как выглядит капелька. И нанесли на стекло покрытие, и капельки все скатились. Если такое стекло сделать для автомобиля, то дворники будут не нужны. Я хочу сказать, что плазма - это источник заряженных частиц. Если мы будем извлекать оттуда электроны, и эти электроны мы можем дальше ускорять, то с помощью плазменных технологий мы можем просто грубо расплавить поверхность, но не всю, а только поверхностный слой. Также здесь представлен штамп, который будет потом прессом штамповать металлические изделия. У этого штампа очень большая цена, потому что его делают из сверхпрочной стали карбид, вольфрам или ещё что-то такое. Снашиваемость этого штампа приводит к тому, что детали начинают отличаться от оригинала. Например, штамповка монет на монетном дворе. Ясно, что штамп должен быть долговечным, и в то же время он хорошо должен прорисовывать рисунок, который на него нанесён. Если мы с помощью электронного пучка его обработаем, он становится, как видите, блестящим. Этот штамп ещё и упрочняется. И мы достигаем двух целей: он становится более гладким, прочным, и, естественно, цена его при этом не сильно вырастает. Он и сам очень дорогой, т.е. если мы добавим несколько процентов к стоимости, то ничего не изменится. Второй пример - искусственный сустав. Сустав должен много тысяч раз двигаться в своей муфте, и при этом не должен снашиваться, т.е. не изменять размеры. После обработки электрическим пучком износостойкость и гладкость суставов вырастает в несколько раз, т.е. такой сустав, поскольку он более гладкий, меньше снашивается, а поскольку он более твёрдый, он ещё меньше снашивается. На картинке показаны протезы для медицинских целей. Наверху показан свет, который лечит оторсклероз, т.е. внутрь сосуда вставляют сетчатую структуру, немного поджимают, она расширяется, и просвет сосудов увеличивается. Но если посмотреть под микроскопом, даже под обычным, то мы увидим, что этот стент состоит из проволочек, а если ещё сильней увеличить, то видно, что эти проволочки все в заусенцах. Их штампуют их хрупкого материала, который не удается обработать, и такую вещь вставить в кровеносный сосуд означает его травмирование. Хотя бы на первых стадиях, пока мы его туда вносим, можно обработать электронным пучком, и все эти заусенцы оплавляются и становятся гладкими, и мы можем этот стент вставлять, не травмируя сосуд. Приживаемость его становится лучше. Сейчас на этот молодёжный проект выделяют деньги. С помощью электронного пучка сглаживают эти стенты. Примеры внедрения есть не только у нас, но и наши технологии, которые были разработаны в Томске, в Институте сильноточной электроники, были помещены в японскую установку. Эта японская установка внедряется фирмой Sonic, которая выпустила несколько сотен таких устройств для целей, которые здесь написаны. Также у нас есть совместный патент с японцами. Это один из немногих примеров, когда наукоемкая продукция 7
вышла на мировой рынок, и про нас там знают благодаря и ей, в том числе. Эта фирма в Японии держит около 90% рынка зубопротезных устройств, где полируется зубные протезы. Но на этом я заканчиваю. Владимир Пичугин, заведующий кафедрой теоретической и экспериментальной физики НИ ТПУ, доктор физико-математических наук Добрый день. Мне сейчас будет гораздо проще, чем Андрею Владимировичу по причине, что он рассказал, что такое плазма. Я, честно признаться, рад, что здесь такая молодая аудитория, меня это очень устраивает. Я буду говорить только лишь о применении плазменных технологий в медицине. Более того, как вы уже заметили, это широкая область применения. И это то, что мы называем «Hi-tech». HART - это следствие развития плазменных технологий. Сотовый телефон - это тоже плазменная технология. Вообще я буду говорить только лишь о проблемах медицинской промышленности и использования плазменных технологий в медицинской промышленности. Я специально выделил вопросы: что позволит ускорить развитие плазменных технологий, и как Томску войти в число мировых лидеров в области плазменных технологий. Нас, как жителей нашего города, это, конечно, также интересует. Но, прежде всего, я привел на слайде медицинские примеры - основные причины смертности. Я вам должен сказать, что сердечно сосудистые заболевания - номер один. И все это более диффамируется и меняется в зависимости от того, каков уровень дохода. Во-первых, в той или ной степени, ваше здоровье зависит от уровня вашего дохода. Во-вторых, объем рынка огромен. В 2011 году рынок составлял около 130 млрд. При этом, обратите внимание, доля импорта - 82%. Из них 85% - это государственные закупки. Доля на отечественное производство в 2006 году составила 28%, а в 2011 году – 15%. То есть мы потихоньку тормозим. На слайде показано, что 53% продукции не имеет аналогов производства в России, 25% мы в состоянии сами производить и таким образом изменить существующее соотношение. Конечно, это наша с вами задача. Что касается применения плазмы. Я специально выделил отдельные медицинские блоки, в которых возможно инновационное развитие с использованием плазменных технологий. Практически, все компоненты присутствуют в этом списке. Также я вам должен сказать несколько слов о конечно холодной плазме в медицине. Высокотемпературная плазма - это несколько другая область, хотя потрясающе интересная. В 1971-73-х годах планировалось создание термоядерного реактора на территории СССР. Его планировали разместить около Красноярска. Там строилась Красноярская ГРЭС, нужно было много энергии, чтобы запустить эту плазму. К сожалению, этот проект не выполнен. Но сейчас подобного рода проект выполняется Евросоюзом, в котором мы являемся участниками. Прежде всего, это эффективные методы активации микроорганизмов: это низкотемпературная, холодная плазма, которая формируется при атмосферном давлении просто в воздухе. Для получения данного устройства нужны очень высокие напряжения. Появились возможности это делать при 8
высоких напряжениях. При очень маленьких значениях токов плазма действительно становится холодной, можно обрабатывать вещества и просто лечить людей. Устройство ионизует среду, порождает окислители, в том числе ультрафиолет, и отлично подходит для дезинфекции. Обратите внимание на эту картинку. Это, конечно, муляж. Здесь изображен ребенок, который обрабатывается плазмой. В Голландии уже начали использовать плазму для лечения десен при воспалении. Но должен вам сказать, что ученые в Томске также делают подобного рода источники, которые используют в онкологии. И я очень доволен, что подобного рода устройства начали делать в Томске, начали использовать в медицине. Вторая область применения – это, конечно, биоматериалы. Биоматериалы нужны в большом количестве: от кожных покровов, от костных и нервных тканей. Также нужны и искусственные материалы, которые могли бы замещать функцию нашего организма и лечить его. Конечно, имеются самые разнообразные типы материалов. Материалы первого класса – аутогенные, т.е. материалы, которые извлекаются из живых существ. Вторая категория – это неорганические и органические материалы искусственного происхождения. К ним есть особые требования. Они должны удовлетворять требованиям токсикологии, химическим, механическим требованиям, потому что там биомеханика. Все мы, например, имеем костную систему. Она у нас, приблизительно, на 60% состоит из неорганической матрицы. Но 40% - это коллаген. Это то, что делает особенными механические свойства нашей костной системы, и, конечно, биологическая совместимость. В этом смысле разные типы биологической совместимости, и разные тесты на биологическую совместимость. Это предварительное испытание в пробирке и в организме. Это могут быть самые разнообразные испытания. Типы материалов могут быть биотолерантны, биоэнертны, биоактивны, биодеградируемые. Существует огромное количество типов материалов. Я должен сказать, с чем связаны эти медицинские материалы, и откуда они родились. Мало, кто из вас знает Игнатия де Лойолу, основоположника ордена Иезуитов. Во время вооруженных столкновений он был ранен, и у него был протез. Он страдал, потому что этот материал – дерево - был не биосовместим. Он страдал, но, тем не менее, создал орден Иезуитов. У нас существует много проблем в кардиологии. После проведения операции по ангиопластике 10-20% пациентов страдает от повторного стеноза. Но эта проблема, конечно, решается. Чтобы решить эту проблему, необходимо понять механизм взаимодействия искусственного материала с тканью. Обратите внимание, эта картинка показывает сотни и даже тысячи наименований имплантатов, которые используются. Как это все развивалось? Прошлое столетие - это столетие биосовместимых, биостабильных материалов. Но это была эра немых материалов. Ученые исследовали свойства этих материалов, их механику и биостабильность. В настоящее время понятно, наконец, что доминирует концессия, что будущее принадлежит поверхности и границе взаимодействия искусственной поверхности ткани. Поэтому сейчас начали развивать такие поверхности, имея в качестве основы объемы, которые бы хорошо взаимодействовали с тканью, запускали процесс хемотаксиса и выполняли функции скаффолда, т.е. так, чтобы эти материалы могли принести дополнительные функции нашему организму, чтобы он мог на базе этих 9
материалов и структур развиваться. Конечно, нам необходимо научиться присоединять к поверхности необходимые лекарственные препараты и наши клетки для того, чтобы стимулировать быстрое заживление ткани, которое мы получили, которое необходимо получать человечеству. Когда речь идет о методах функционализации, методах формирования поверхности, обратите внимание, что выделено красным - это плазменные технологии, то, что синим - биомиметические методы. Мы пытаемся имитировать нашу природу на поверхности, на которой создаются плазменные технологии. В этом смысле, эта область очень похожа на hi-tech, т.к. без плазмы просто некуда деться. Андрей Владимирович вам рассказывал про ионное плазменное нанесение покрытий. Единственное, хочу вам сказать, что если мы хотим создать покрытие и материал, который адекватно воспринимался нашей костной тканью, значит, нам нужно создать тот же материал. Гидроксиапатит имеет большую формулу - Ca10(PO4)6(OH)2, но это настоящий кристалл. Все по-настоящему. И нужно сделать тонкую поверхность такой структуры. Поэтому делаются специальные мишени из гидроксиапатита, которые нужно синтезировать. После эту мишень нужно перенести в плазму, т.е. ее распылить, причем здесь уже возникает то, что называется плазмохимией, потому что химическая структура мишени довольно сложная. Поэтому химический состав этой плазмы оказывается сложным, и эта плазма должна транспонировать кристаллическую структуру нашей мишени, которая близка к структуре кости, на эту искусственную поверхность. Здесь присутствует высокочастотное магнетронное распыление. Подобного рода технологии часто используются. Это лазерная, электронная и ионная абляция, что в Томске хорошо развито. На слайде показана классическая камера установки плазменного напыления, которое наносит биосовместимый кальций-фосфатный гидроксиапатит на медицинские имплантаты. Но есть большая проблема в методах исследования. Только в США с проблемами опорно-двигательного аппарата – 60 млн. Их надо все ремонтировать, у нас аналогичная ситуация. Как я вам и говорил, гидроксиапатит - строительный материал костной ткани. Чтобы его сделать, нам необходимо сделать соотношение кальция к фосфору 1 к 1,67. Это нелегко сделать, но такова природа. Кальций-фосфатные покрытия используются везде. Я вам хочу показать некоторые картинки. На этих картинках показаны просто фотографии поверхности ткани. И как видите, поверхность состоит из островков и границ между ними. А функция распределения островков, понятно, по размерам. Среднее значение - 25 нанометров. Структура этого покрытия действительно наноразмерная, и очевидно имеются некоторые основания для того, чтобы ее такой создавать. Наша кость состоит из кристаллов гидроксиапатита размером порядка 25 нанометров, это линейный размер. Поэтому есть основание создавать подобного рода покрытия, которые бы хорошо воспринимались нашим организмом. Другое - это так называемое микродуговое оксидирование. Здесь присутствует такая же поверхность - плазма, но плазма жидкости толщиной 40 микрометров. Есть еще несколько другая структура. Это тоже плазменный метод - метод магнетронного распыления. Была построена матрица - эквивалент костной ткани, которая сформирована тоже из гидроксиапатита, хорошо видна ее структура. 10
Здесь вы видите ее электромископическое изображение. Также на ней есть клетка, которая делится, форменные элементы крови. То есть я хочу вам сказать, что эта поверхность оказывается действительно биосовместимой, и не просто биосовместимой, на ней начинает делиться клетка, которая превратится в остеобласт - костную клетку, т.е. это некий элемент скаффолда - строительства этой костной ткани. Вот очень интересная картинка, я специально принес вам ее показать, это визуализация структурных механизмов регенерации. То, что видите здесь, это кость крысы. Это имплантат, который интегрирован в костную ткань. Вы видите этот срез и проекцию. Этот имплантат - это так называемый интрамедуллярный канал, который заполнен костным мозгом. И здесь стрелочкой показаны области и участок образования костных трабекул, т.е. это настоящий скаффолд, это наше покрытие заставило, инициировало создание костной ткани из костного мозга. Дальше пошли по направлению дифференциации в область костных клеток, так называемых остеокластов. Механизм образования этих клеток довольно сложный: сначала образуются остеокласты, потом остеобласты. Так же я привез такую картинку - это срез кости, причем он получен самым современным методом. Такую картинку никаким методом, кроме метода фазового контраста, не получить. Здесь очень хорошо видна ее структура. Это было выполнено на синхротронном излучении методом фазового контраста. Следующая проблема - это сердечно-сосудистая хирургия. Здесь необходимо понять механизм взаимодействия поверхности стента с кровью окружающей ткани. Это все понимают, но только не понимают, как это сделать хорошо. Стент сам по себе представляет собой некую формочку. Я вам сейчас сразу скажу, что наша отечественная проблема заключается в том, что до 2009 года никакие стенты на нашей территории не делались. И только в 2009 году спекулянты купили в США оборудование и привезли на нашу территорию - в Новосибирск. Сейчас там есть такая фирма, которая делает стенты первого поколения, т.е. металлические стенты-трубочки. Они покупают их в США и привозят сюда, режут лазером, сами их обрабатывают, никому не рассказывают как. Когда я начал говорить, чтобы привезти студентов к ним на практику, они сказали: «Нет, если к нам, значит - работать». Вообще я должен сказать, что первый стент был поставлен, даже не стент, а так называемая баллонная ангиопластика, в 1994 году. Стент из себя представляет трубочку, в трубочку вставляется баллончик на длинном катетере - это так называемая баллонная ангиопластика. Проходит этот катетер длиной около 1,5 метров в нужное место артерии, и дальше под давлением порядка 20 атмосфер этот баллончик раздувается, стент вдавливается, и, расширяя артерию, эта бляшка раздавливается и вдавливается в артерию. Баллончик аккуратно убирают, и этот стент живет в нашем организме. Конечно, самое лучшее сделать так, чтобы его можно было менять. Но это дело будущего, целая проблема. Обратите внимание на стоимость стального стента. Она составляет порядка $150. В стальном стенте присутствует никель, кобальт, самые разнообразные примеси, и организм очень сильно на них реагирует, он пытается его растворить, и это удается. Поэтому очень важная задача - закрыть покрытием, и принести лекарство в это место. Черным цветом обозначены стенты, которые закрыты. Тем не менее, остается немного стальных стентов. А это стенты, которые закрыты покрытиями, и так называемый драг-элютинг стенты – стенты, элюирующие лекарственные 11
препараты. Стоимость такого стенда $2,5-3 тыс. Это очень дорогая вещь, и в этом наша большая проблема. Нужно лечить людей, а таких денег у многих нет. Есть государственная программа один стент за счет государства одному больному. Операции нужно три: один стент есть, нужно еще два. И сразу возникает проблема. Поэтому создать наши стенты с меньшей ценой, но по качеству не хуже - это очень важная задача. Для этого теперь нужно сделать хорошее покрытие, потому что стенты у нас есть. Это все делается. К плазменным технологиям также относятся неорганические материалы, неорганические поверхности. Покрытие с использованием полимеров – это уже неплазменная технология. Нанесение покрытия с использованием пористых материалов - это плазменная технология. Оптимальный стент - когда мы можем его интегрировать в эндотелиальные клетки так, чтобы клетки эндотелии, т.е. внутренние клетки сосуда, закрыли бы этот стент, и он стал бы полностью демосовместим. Это оптимальная вещь. Также мы вынуждены обрабатывать поверхность плазмой для того, чтобы эндотелиальные клетки не гибли на поверхности этого стента. Плазменные технологии широко используются также в конечной адресной доставке лекарств, это так называемые элюирующие лекарственные препараты. Это вообще препараты, которые ингибирует митоз клеток эндотелии, т.е. не разрешает клеткам размножаться неконтролируемым образом, они размножаются под контролем это препарата. Эти препараты используются в онкологии и снижают неоинтимальную гиперплазию. Когда стенка реагирует на давление со стороны стента, клетки начинают размножаться, заполняют и закрывают стент. Сначала казалось, что эти дезестенды успешные, но оказалось, что за все надо платить. Если они так хорошо блокируют процесс размножения клеток, то они запрещают тромбоцитам заживление артерии, которая получает свои ранки во время раздутия стента. А если так, то имеются отдаленные угрозы, которые приводят не просто к стенозу, но и к тромбозу, т.е. это такая реакция, которая закрывает просвет сосуда и получается инфаркт. Поэтому титан и материал на его основе - оксид титана - являются важными материалами, и нужно искать новые типы покрытия. В этом направлении имеются работы, когда эти покрытия готовятся на основе оксинитридов титана и тантала. Эти покрытия обладают очень хорошей тромборезестерностью, и очень хорошие антипрофиактивными свойства не дают клеткам эндотелия размножаться. Были получены различные поверхности. Структура одной из таких поверхностей состоит из острых максимумов, которые можно сгладить, и тогда эта поверхность становится очень хорошей, чтобы клетки не цеплялись за нее при потоке крови. В качестве примера здесь приведена установка, в которой формируется плазма, о которой вам говорил Андрей Владимирович. Система мониторирования плазмы - это целый мир. Там можно жить, не отходя от этой установки, смотреть на эту плазму и наслаждаться. Это еще дополнительный источник ионов. Там нужно оксинитридное покрытие, а это нелегко сделать, потому что реактивная способность кислорода и азота разная, кислород гораздо активнее. Поэтому имеется пушечка, которая позволяет имплантировать азот в эту пленку сколько нужно. Эта установка, которую вы можете видеть, очень похожа на то, что показывал Андрей Владимирович. И там, и здесь мы 12
видим одну вещь, которая не очень хороша. Вы знаете, есть соответствующая вакуумная гигиена. Все эти вакуумные камеры и система должны быть сделаны из специальной полированной стали. Как видите, они крашенные, что гораздо дешевле. То есть проблема возникла сразу, и она здорово нас останавливает. К тому же, не удается добыть денег. А сам по себе этот магнетрон представляет собой плоский магнетрон с системой мониторирования и системой перемещения образцов внутри и т.д. Вы знаете, получаются очень симпатичные покрытия. Мы сейчас сделали эти покрытия, последовательно на образцах исследовали их свойства. Когда мы интегрируем стент диаметром 1,5 мм в тонкий сосуд, потом раздуваем, его диаметр увеличивается, приблизительно, в два раза, и становится 3,5 мм. Очень важно, чтобы покрытие осталось целым и не начало просто выпадать. Представляете, если оно начинает отваливаться, и не просто так, а в артерию рядом с сердцем? Это катастрофа. У этого материала восстановление около 82%. Мы его прижали, и он как пружинка возвращается в свое первоначальное состояние. Здесь показана картинка специально для вас, чтобы вы посмотрели на это покрытие. На срезе видно структуру этих покрытий в виде колонок. Это такая столбчатая структура. На картинке это структура покрытия показана с увеличением в 300 тыс. раз. Оно, как видите, не такое хорошее, есть островки на покрытии, но с этим надо работать. Эти островки, между прочим, кристаллические, а между островками - аморфная область, которая и обладает очень упругими свойствами. Я должен сказать, что мы занимаемся не только этим. На слайде представлена французская фирма, которая делает эти стенты. Узнать, как они это делают, просто невозможно. Их можно только увидеть на рынке и купить. Посмотрите на данные по Франции. 97% стентов было сделано с органическими покрытиями с лекарственными препаратами и 3% - на основе оксинитридов титана. В 2006 году 26% может быть они преувеличивают, но то что стало больше чем 3% это точно, сейчас 2011 год. В общем, нам нужно стремиться туда же. Таким образом, дальнейшее развитие - это нанопокрытие и использование самособираемых монослоев для доставки лекарств, т.е. это настоящие нанотехнологии, которые могут быть реализованы в рамках плазмы. Без плазмы все равно никуда не денемся, будем ее использовать, потому что самособираемость предполагает сначала получение исходных отдельных кластеров, отдельных ионов атома, а потом придумать условия - когда они объединятся, возникнут химические связи и структура необходимого химического фазового кристаллического состава и т.д. Я хотел вам про это рассказать. Конечно, есть очень важные свойства поверхности, позволяющие переключать в зависимости от состояния организма и стаффолда технологии, которые позволяют строить новые типы тканей. Здесь вы видите фотографию коронарного саморасширяемого стента СИНУС, которые делаются в Новосибирске, и дилатационного катетера калибре. Вы не думайте, что они продают свои стенты по $150. Они продают их дороже. Но это все равно в 5 раз дешевле подобных зарубежных стентов.
13
Осталось ответить на два вопроса. Первый, что позволит ускорить развитие плазменных технологий? Андрей Владимирович ничего не сказал, но, обратите внимание, он не наш президент. Если бы он знал, как это сделать, он бы сказал: «Я знаю, как это сделать». Второй вопрос, как Томску выйти в число мировых лидеров в области плазменных технологий? Здесь я могу сказать, что мы не «в хвосте», а во многих вещах – «на носу». И мы готовы что-то сделать в единственном экземпляре, как наши коллеги в Японии. То, что они внедрили в свою технологию в Японии, это очень здорово, но во многом благодаря усилиям японских менеджеров, японских коллег. Тем не менее, это все очень непросто. Что касается медицины, вы сразу понимаете, что это такое. Это означает, что нужны хирург, терапевт, биофизик, биохимик, физик, инженер, еще кто-то, кто сможет их обучить языку друг друга, чтобы они хотя бы понимали друг друга. И поэтому создание таких мультикомпонентных коллективов - это весьма сложная задача. Я слышал, как два футболиста разговаривали после того, как окончился футбольный матч. Один говорит другому: «Представляешь, а я сегодня Василию не дал ни одного пасса». И в нашем научном сообществе такое присутствует. А создать единый коллектив весьма сложно. Нужен кто-то, кто бы обладал особенными качествами, харизмой, чтобы всех объединить. Тогда, наверное, мы сможем все преодолеть. Но, как видите, я не смог здесь ничего написать, к сожалению. Спасибо вам большое. Евгений Грибов Спасибо большое. Есть возможность задать три вопроса. Из зала У меня такой глобальный теоритический вопрос. Я сам геолог. Сейчас существует теория, которая полагает, что ядро земли не металлическое и твердое, а плазменное. Как Вы к этому относитесь? Андрей Козырев Вопрос, наверное, больше ко мне. Я отношусь отрицательно. Из зала Почему? Андрей Козырев Потому что, на самом деле, нет никаких данных, что ядро не железно-никелевое. Владимир Пичугин Я вам должен сказать… Андрей Козырев 14
Поскольку мы оба теоретики и достаточно хорошо знакомы с материалом, поскольку я преподаю физику, в том числе физику земного магнетизма и современной теории жидкого металлического ядра, то могу сказать, что все это вполне моделируется уже в лаборатории. Владимир Пичугин Я думаю, что другого добавить уже невозможно. Но и данные геофизики говорят о том, что оно не жидкое. Андрей Козырев При желании можно считать, что электронный газ в металле тоже определен вроде плазмы. Там есть свободные электроны, есть ионы. Можно называть плазменной жидкостью, но это одно и то же, что и металл. Владимир Пичугин Между прочим, этот электронный газ в металле ведет себя приблизительно так же, как и электронный газ в нашем солнце. Ему удается даже моделировать или экранировать ядра. И удается даже моделировать процессы солнечной ядерной реакции, именно используя ДДреакции в каких-то металлах. Поэтому есть определенная и ясная точка зрения. Лиана Кобзева, руководитель проекта «Томские популярные лекции» У меня тоже вопрос. В связи с последним сюжетом, который Вы развернули, скажите, пожалуйста, вокруг Вас много учеников, т.е. молодых людей, которые готовы, с одной стороны, перенять Ваши сильные стороны, а с другой стороны, пойти дальше, чем Вы? От чего зависит их количество, как Вам кажется? Сегодня здесь в большей степени аудитория молодая - много школьников, которые определяются в своей будущей профессии, студенты, первого-второго курсов, им еще можно вливаться в междисциплинарные коллективы. Спасибо. Андрей Козырев По очереди ответим, потому что здесь у каждого своя точка зрения, наверное. Я могу сказать одно. Конечно же, последнее время поток учеников, способный продолжать и развивать дело, заметно упал, снизился уровень, подготовке приходится уделять больше времени, чем это было, допустим, 15 лет назад. Но, тем не менее, я могу обратиться к аудитории со словами, что этот цикл, который посвящен новым технологиям, говорит о том, что будущее все-таки за естественно-научными направлениями деятельности человека. Физика, химия, биология, медицина будут востребованы в будущем. Это перспективные области деятельности. Молодые люди, которые сегодня присутствуют здесь, может быть, более подготовлены к жизни в современных экономических условиях, чем те, кто вырос в других экономических условиях. Поэтому моя точка зрения такая, что смену стало готовить труднее, но перспектив, наверное, больше, чем в наше время. 15
Владимир Пичугин Да, спасибо большое. Я хочу добавить. В целом, я согласен, что готовить смену стало сложнее. Но я вам должен сказать, что наша группа во многом держится на плечах наших студентов и магистрантов. Наверное, мне нравится сравнивать себя с каким-нибудь нобелевским лауреатом. Был такой Фейнман Ричард, который говорил: «Я так люблю науку, я так ей хорошо занимаюсь, но, единственное, стыдно, за что мне деньги платят. Я очень доволен, что я учу студентов, и я знаю, мне платят деньги за то, что я учу студентов, и уже потом на эти деньги я занимаюсь наукой». В этом смысле у меня также. Я хочу сказать, что наши магистры, бакалавры, аспиранты являются движущей силой решения этой проблемы. Их усилия, которые иногда приходится сдерживать, позволяют развивать то, что у нас есть. Я должен вам сказать, что у нас очень хорошие связи с нашими зарубежными коллегами. Мы с ними постоянно обмениваемся студентами, сейчас там находятся наши студенты, у нас учатся их студенты. Иногда бывает так, что хоз. договорных денег очень мало или даже совсем нет, и тогда мы работаем только благодаря поддержке университета и рукам ребят, которые за свою стипендию готовы заниматься такими сложными делами. Честно признаться, это в дополнение к тому, что сказал Андрей Владимирович. Евгений Грибов И последний третий вопрос? Из зала Можно ли создать плазменный двигатель под двигатель автомобиля? Андрей Козырев Наверное, можно, но это слишком неэффективно. Можно создать за счет колес, но если вы хотите большую мощность, то нужно ставить реактивный двигатель - двигатель самолета. Все бензиновые двигатели перешли к реактивным. В космосе плазменные двигатели используются и сейчас, особенно при стыковке, где требуется очень небольшая мощность. Но в космосе есть другая проблема – там необходимо для двигателя все время, что-то отбрасывать. Поэтому надо с собой вести вещество. На земле вещества хватает, но двигатель неэффективен по энергетическим соображениям. Мы видели плазменные горелки, они также горят, но эффективней сжигать пока химическое топливо. В плазму сначала надо вкачать энергию, я об этом сегодня говорил, а потом она даст отдачу. Владимир Пичугин Это да. Я в этом смысле, подобного рода двигатель, подобного рода движущее устройство, машину одна фирма, которая занималась плазменными технологиями в США известном Билл Гейтс. Такая машина приблизительно миллион стоила. Но она была размером со стакан. Вот
16
такая штука. Но это сделали модель, но полностью абсолютно то, что называл Андрей Владимирович. Очень дорого. Евгений Грибов Пользуясь возможностью, хочу задать вопрос. Когда мы обсуждали энергетику, нам лектор говорил про будущее, а один из участников его спросил: «К какому году мы сможем войти в число мировых лидеров, занять какое-то достойное место на рынке?». Он сказал, что к 2030-му году. Каков Ваш ответ на этот вопрос? Андрей Козырев Я думаю, с точки зрения научных разработок и понимания процессов в плазменных технологиях, Томск все-таки в лидерах. Другое дело, что наша экономическая ситуация не позволяет реализовать в серийном производстве, потому что нет платежеспособного спроса, также, как со стентами и протезами. Потребности есть, а денег у потребителя нет. Мы хотим поставить между всех стекол плазменное напыление, но такое стекло стоит все лишь в 1,5 раза дороже обычного стекла без напыления. Владимир Пичугин Здесь нужна наша с вами персональная заинтересованность. Если она будет, если мы будем крутить педали, то мы это сможем быстро сделать. Андрей Козырев Ответ такой, что мы готовы. С точки зрения понимания физики, мы - одни из лидеров. Все желающие могут подойти ко мне, и я готов вам дать свои комментарии. Евгений Грибов Уважаемые участники, важная пометка, что следующая лекция будет в эту пятницу в 18:30, т.е. через день. Спасибо.
17