Физика для жизни. «Всевидящий» газ и сверхпроводниковый «пирог»

В лаборатории методов медицинской физики КФТИ имени Завойского занимаются созданием современного оборудования для магнитно-резонансной томографии. Один из новых и очень актуальных проектов – разработка технологии МРТ лёгких с применением гиперполяризованного ксенона.

КАК ГАЗ УЛУЧШИЛ «ЗРЕНИЕ» ТОМОГРАФУ

Для начала о том, почему это важно. Помните шутку: «Пройдут годы, но вы всегда с точностью сможете сказать, где вы находились в любой из дней весны 2020-го»? Да, подавляющее большинство из нас в то время безвылазно сидело по домам из‑за пандемии ковида. Очень многим не повезло столкнуться с вирусом лично. И часть из тех, кто таки заболел, наверняка обследовалась на компьютерном томографе. И, может, даже не один раз.

Компьютерная рентгеновская томография – на сегодня стандартная методика диагностики при ковиде. Метод достаточно информативен, но у него есть некоторые побочки. Скажем, исследования Колумбийского университета (США) показывают: на 10 тысяч обследований на КТ приходится восемь случаев связанного с этой процедурой рака. Всё‑таки компьютерный томограф – это облучение, хоть и не слишком большое.

– Метод МРТ не даёт лучевой нагрузки на организм, к тому же он гораздо более информативен, чем КТ, – рассказывает заведующий лабораторией методов медицинской физики Яхъя Фаттахов. – Но магнитно-резонансный томограф при сканировании обследуемого не видит его лёгкие из‑за того, что они наполнены воздухом. Там мало протонов, на регистрацию которых настроен томограф. В результате МРТ при обследовании показывал вместо лёгких как будто чёрную дыру.

В то же время гиперполяризованный газ – гелий или ксенон – может выступить контрастным веществом, благодаря которому томограф будет способен «разглядеть» лёгкие. Яхъя Фаттахов вспоминает: у КФТИ уже были попытки провести совместные с Казанским университетом эксперименты с использованием поляризованного газа, но не ксенона, а гелия. Задача вызывала большой интерес, так как её решения ждали специалисты не только в медицине, но и в геологии, ведь с помощью такого газа можно исследовать нефтяные керны. И принцип был тот же – использовать газ как контрастное вещество, визуализирующее некие внутренние полости.

Перенести эксперименты в медицинскую сферу, используя вместо гелия гиперполяризованный ксенон, казанским физикам в 2022 году предложил один из институтов «Росатома».

У лаборатории методов медицинской физики уже был большой опыт в разработке томографов. Небольшой коллектив в тесной кооперации с другими татарстанскими институтами и предприятиями создал четыре томографа на всё тело человека, было обследовано свыше 30 тыс. пациентов. А около десяти лет назад в лаборатории создали портативный магнитно-резонансный томограф отдельно для исследования суставов. Возможно, именно успешные работы в этой области привлекли внимание «Росатома», который в поисках по России научных партнёров для новой разработки обратился именно в КФТИ имени Завойского.

Физики модернизировали свой томограф, разработали программное обеспечение, позволяющее ему работать с использованием ксенона. Работали в содружестве с учёными из других институтов Федерального исследовательского центра РАН и из КФУ, а также с медиками из КГМУ и медицинской академии.

Эксперименты с газом проводили на лабораторных крысах. Конечно, заставить животное вдохнуть газ и задержать на несколько секунд дыхание нереально, так что использовали наркоз, а ксенон в крысиные лёгкие подавали по системе ИВЛ.

Заметим, кстати, что все эксперименты проходили с одобрения комиссии по биоэтике, которая действует при ФИЦ «КазНЦ РАН», и все животные остались живы.

А результаты исследователей очень порадовали.

– Мы увидели, что подобное неинвазивное обследование с применением гиперполяризованного газа показывает структуру и процесс функционирования лёгких с такой высокой детализацией, которую невозможно получить при помощи обычной МРТ и любых других методов, – говорит Яхъя Фаттахов. – И обследовать по этой методике можно пациентов не только с ковидом, но и с астмой, обструктивными болезнями лёгких. При этом человек не получает лучевую нагрузку. Кроме того, чувствительность метода не зависит от силы магнитного поля МРТ-сканера, а это даёт потенциальную возможность использовать недорогие низкополевые томографы, и процедура МРТ существенно дешевеет, становится более доступной.

Теперь участники эксперимента надеются, что исследования будут продолжены и в перспективе российские пациенты получат необходимую и безопасную диагностику.

Младший научный сотрудник Альфис Баязитов настраивает аппаратуру томографа.

ПО РЕЦЕПТУ СЛОЁНОГО ТЕСТА

Все мы пользуемся электронными приборами. Каждый год они всё более совершенствуются. Особенно это заметно на компьютерной технике – наши ноутбуки и смартфоны, становясь компактнее и легче, при этом работают всё быстрее, и функций у них всё больше. Но ведь нельзя улучшать их вечно?..

– Количество транзисторов, расположенных на чипах современной полупроводниковой электроники, от года к году растёт по экспоненте, – рассказывает заведующий лабораторией проблем сверхпроводимости и спинтроники КФТИ имени Завойского Андрей Камашев. – Но у этого процесса есть предел, и он достаточно близок. А значит, в обозримом будущем их быстродействие перестанет расти.

Одна из альтернатив современной электронике – сверхпроводящая спинтроника, технология, основанная на применении сверхпроводящих материалов. Приборы на сверхпроводниках способны работать гораздо быстрее и энергоэффективнее.

– Ещё в конце девяностых годов прошлого века в США была предложена модель сверхпроводящего спинового клапана – нового вида транзистора, который мог бы заменить современные транзисторы, – поясняет Андрей Камашев. – Но первый экспериментальный образец такого клапана создали в 2010 году именно в нашей лаборатории. Несколько лет физики подбирали материалы, искали оптимальные параметры конструирования системы...

Речь, поясняет Андрей Камашев, не идёт о каких‑то принципиально новых сверхпроводящих материалах – они были известны и раньше. Всё дело именно в новых системных их сочетаниях, конструкционных особенностях, которых прежде не применяли. Спиновый клапан – это своего рода слоёный «пирог», тонкоплёночная структура, каждый слой в которой – толщиной в несколько нанометров. Вот над тем, как сочетать эти слои, подобрать их оптимальный размер, и работают казанские физики.

После того как был создан первый образец, учёные из лаборатории проблем сверхпроводимости и спинтроники значительно продвинулись в своих экспериментах. В прошлом году в одном из высокорейтинговых научных журналов они опубликовали статью, где показали, что эффективность разработанной ими системы выросла по сравнению с первыми опытами в 60 раз.

– Конфигурация, которую мы предложили, обладает некоторыми уникальными особенностями, – говорит Андрей Камашев. – В перспективе наши разработки могут использоваться для решения сложных математических, криптографических задач, которые требуют многоуровневых расчётов, моделирования больших систем.

Учёные говорят: на повседневную жизнь сверхпроводниковые спиновые клапаны, обладающие повышенным быстродействием, вряд ли прямо сегодня окажут большое влияние – человеку пока вполне достаточно тех скоростей и функций, которые уже доступны, например, его смартфону. Но давайте вспомним, что ещё лет 50 назад бытовала абсолютная уверенность: никому и ни для чего дома не понадобится персональный компьютер… Так что не исключено, что со временем сверхскоростные и энергоэффективные спины станут и частью повседневной бытовой электроники.

– Первый экспериментальный образец сверхпроводящего спинового клапана создали в 2010 году именно в нашей лаборатории, – рассказывает заведующий лабораторией проблем сверхпроводимости и спинтроники КФТИ имени Завойского Андрей Камашев.