Владимир Лейбович Вакс

Заведующий отделом терагерцовой спектрометрии ИФМ РАН,
кандидат физико-математических наук.

Родился 25 ноября 1946 года.

Я горьковчанин, вся моя жизнь прошла здесь. Места моего детства – деревянные дома на улице Трудовой напротив Спасской церкви. Родители мои из «трудовой интеллигенции». Кроме меня в семье есть ещё младший брат. Он после окончания Политехнического института стал работать в милиции и службу закончил полковником…

До четвёртого класса я учился в школе № 21 на улице Белинского, три моих школьных друга с первого класса до сих пор со мной. Потом была школа № 7 рядом с Оперным театром (в этом здании сейчас лицей № 38). В девятом классе всерьёз заинтересовался математикой, при этом мне очень повезло с учительницей. Её звали Елена Павловна Фигуровская. С нею мы разбирали сложные задачи, которые дают при поступлении на мехмат МГУ. Это не было репетиторством, она занималась со мной, потому что была замечательным педагогом и хотела развить мои способности. В 11 классе я занял второе место на областной математической олимпиаде и решил стать математиком.

В 1965 году я закончил среднюю школу и поехал поступать на мехмат МГУ, остановился у родственников бабушки. Её брат был профессором Института стали и сплавов, я его очень уважал ещё за то, что в войну он летал штурманом на бомбардировщиках. Он сказал: «Ты пока погуляй по Москве, а я разведаю обстановку». Вечером пришёл и говорит: «Возвращайся в Горький. На мехмат МГУ шансов нет из-за «пятой графы» в анкете, а вот у вас там образован новый радиофизический факультет, это – фирма». Я так и сделал.

На одном курсе со мной училось много будущих коллег. Из здравствующих – нынешний академик РАН Захарий Фишелевич Красильник и мой добрый приятель старший научный сотрудник отдела многослойной рентгеновской оптики Валерий Иванович Лучин. В ИПФ РАН работают ещё не менее двух десятков человек однокурсников, в том числе Александр Владимирович Костров.

Когда пришло время выбирать специализацию, мы с моим другом Сашей Ермаковым пришли на кафедру математики, заведовал которой великий человек Дмитрий Андреевич Гудков. А нашим научным руководителем и другом стал доцент Станислав Федорович Морозов. Станислав Федорович по совместительству ещё работал в математическом отделе НИРФИ с выдающимся астрофизиком Самуилом Ароновичем Капланом. Книгу Каплана «Физика звёзд» переиздавали шесть раз. В ней не было ни одной формулы, а читалась она на одном дыхании.

Они решали интегро-дифференциальные уравнения переноса лучистой энергии в недрах звёзд. Но прежде чем что-то «тащить» в вычислительную машину, надо было получить какое-то аналитическое решение. Мы пытались построить спектральную теорию операторов, чтобы сначала разобраться, какие будут собственные значения, возможно единственное решение или несколько. Я был в восторге от этой фундаментальной темы, и мы по ней довольно долго работали.

Станислав Федорович Морозов очень хотел, чтобы по окончании радиофака я пошёл работать в НИРФИ. Он познакомил меня с заведующим математическим отделом Виктором Наумовичем Гольдбергом и с директором Марией Тихоновной Греховой. Я был, в сущности, ещё мальчишкой, а она поздоровалась со мной за руку. Столько лет прошло, а я до сих пор с таким теплом вспоминаю это.

Всё это люди из слоя так называемой русской интеллигенции. И мне повезло общаться, дружить, работать с несколькими такими людьми, которые для меня олицетворяли Россию. Талантливые и очаровательные, глубоко порядочные, блистательные интеллектуалы. Таким был, к примеру, Вадим Викторович Митюгов, заведующий кафедрой квантовой физики в нашем Политехе – уникальный человек, блестяще образованный. Мы с ним написали несколько статей, и я горжусь этим, потому что он не с каждым садился писать статьи. Меня он одарил своей дружбой, и я очень благодарен ему за всё. Незабываемый человек!

После окончания университета сразу попасть в НИРФИ мне не удалось, мест не было. А уже после защиты диплома на меня появились виды у военного ведомства. Сам я, конечно, туда не рвался, но отец мой считал, что, если призовут, надо идти. Так весной 1970 года я оказался в городе Лиепае Латвийской ССР. Попал в часть, занимавшуюся радиоэлектронной разведкой, и быстро сделал карьеру. Вскоре меня в звании старшего лейтенанта назначили на капитанскую должность, и, честно говоря, эти два с лишним года мне всё нравилось. Я был начальником лаборатории исследования радиоизлучения (ЛИРИ). В части была нормальная доброжелательная обстановка.

Под конец службы меня активно уговаривали поступать в адъюнктуру (аспирантуру для военных). Я даже написал туда проект о возможности пеленгации источника излучения из одной точки. Много позже я был рад узнать, что такой подход успешно применяется.

Может, я бы и изменил свою судьбу в пользу армии, но Станислав Федорович Морозов не сложил с себя полномочий быть моим научным руководителем. Он советовал мне не терять в армии время даром, потихоньку сдавать экзамены в аспирантуру. Это можно было делать в Лиепайском филиале Рижского политеха, и руководство части меня отпускало. Я сдал английский и приготовился сдать философию. Но в этот день утром часть подняли по тревоге, и позже на экзамен я пришёл в военной форме. А раньше ходил туда в гражданской одежде. И вот в таком виде экзамен у меня не приняли. Недолюбливали они российских военных.

На самом деле я очень рад, что не пошёл по военной стезе. В 1973 году я вернулся в родной Горький заниматься наукой. В НИРФИ опять не удалось сразу устроиться, и года полтора я работал в КБ телевизионного завода (сейчас НИИРТ). А потом меня приятель познакомил со Львом Исидоровичем Герштейном. Этот уникальный человек закончил металлургический факультет Политеха. Он работал не в научном подразделении НИРФИ, а в техническом, где изготавливали приборы для экспериментов. Лев Исидорович разбирался во всём, знал радиофизику, радиотехнику и даже квантовую механику, абсолютно заслуженно стал лауреатом Госпремии. И меня взяли в технический отдел в его группу, с «пятым пунктом» туда было проще попасть, чем в научный.

В 1975–1976 годах началась главная научная тема в моей жизни. Группа Андрея Федоровича Крупнова разрабатывала спектрометры для изучения различных веществ. Помимо него большой вклад в эту работу внесли Лев Исидорович Герштейн, Сергей Павлович Белов, Александр Валентинович Буренин. Для спектрометров мы создавали синтезаторы частоты, очень точные.

Когда появился ИПФ АН, в нём уже создали отдел спектроскопии под руководством Андрея Федоровича Крупнова. В отделе было три группы: одна занималась приборами, другая – измерениями, а третья – расчётами спектров. Я работал тогда в первой и в третьей. О диссертации тогда не думал ещё, у нас такие вещи происходили небыстро. Московские коллеги говорили, что наши кандидатские «весят» как их докторские. Наше руководство долго перестраховывалось.

Класс спектрометров, который прославил Крупнова и Герштейна – спектрометры с акустическим детектированием. Они позволили впервые в мире снимать протяжённые спектры с хорошей чувствительностью. Исследования носили фундаментальный характер, с их помощью изучали квантовую механику молекул.

Но пока ещё акустическое детектирование имело большие ограничения по чувствительности, и к тому же при таком подходе возникает много посторонних шумов. Несмотря на то, что их спектрометр был очень хорош для своего времени, Крупнов и Герштейн понимали, что малые концентрации, слабые линии газов мы так не зарегистрируем, либо для этого нужны трудоёмкие «пляски с бубном».

Я предложил другой подход – использовать электромагнитный канал приёма. В литературе мне попалось описание эффекта Дикке и его термин «когерентное спонтанное излучение». Казалось бы, две противоположности. На одном из семинаров Израиль Лазаревич Берштейн – классик, который ввёл понятие «технической ширины линии генератора», – чуть со стула не упал: «Думайте, что говорите!» Я потратил много сил и времени, пока на учёных советах всё это объяснял.

Мы со Львом Исидоровичем решили подавать импульс коротко, а принимать сигнал не сразу, а с определённым интервалом. За это время все окружающие молекулы отреагируют на излучение, шумы «отзвенят», а нужный сигнал останется. Появилась возможность «отрезать» все посторонние шумы. В итоге у нас получился отличный прибор, супергетеродинный приёмник. И чувствительность выросла на два порядка. Это случилось уже году в 1982. Мы не придумали подобный подход, он был описан до нас, но мы его успешно применили для своей задачи.

Свой прибор мы назвали КСИ-спектрометр (спектрометр на основе когерентного спонтанного излучения). Вот теперь открылись широкие перспективы для обнаружения сверхмалых примесей в высокочистых веществах, создания из них новых материалов, глубокой очистки веществ различных химических классов. КСИ-спектрометр используется для точного анализа газовых смесей, обнаружения микроконцентраций и изучения свойств молекул. Он позволяет достигать чувствительности, близкой к фундаментальному теоретическому пределу.

В конце 80-х Лев Исидорович Герштейн переехал в Америку, и я почувствовал одиночество. Он был непростой человек, иногда и грубоватый, но физика у него была «на кончиках пальцев». Я, например, что-то долго высчитывал, а он в уме мог прийти к такому же результату, применив какую-то свою гениальную короткую схему расчёта, потому что мыслил нестандартно. Это было больше чем дружба: мы понимали друг друга совершенно, вместе спорили и творили. С ним я мог попасть в головокружительный «мыслительный резонанс», а это такая редкость! После его отъезда я продолжал с ним мысленно дискутировать, думать, что бы он мне ответил, пытался быть похожим на него. Герштейн в Америке начал делать аппаратуру для слабовидящих детей. Конечно, мы ещё созванивались время от времени. Но контакты стали реже. Когда он умер, я воспринял это как огромную личную утрату. Есть люди, для которых мы оставляем особое место в душе, и его уже никому никогда не занять.

Наша группа перешла в отдел метрологии, которым руководил Александр Михайлович Кубарев. Он очень хорошо относился ко мне и нашей работе. Тёплый был человек и классный физик. Я им искренне восхищался.

Тем временем в ИПФ АН перешёл работать из «Салюта» Сергей Викторович Гапонов. Сначала он заведовал отделом, потом отделением физики твёрдого тела. Наш отдел перешёл под его руководство. Мне в это время вполне комфортно работалось. Зарплаты, конечно, не хватало, как всегда. Но мы с друзьями-учёными много лет в отпуск ездили на строительные шабашки по области, с моих 28 до 40 лет. Это было хорошее время, когда живы родители, растут дети, все здоровы.

В начале 1990-х началось строительство корпуса Института физики микроструктур. В 1993 году на базе отделения физики твёрдого тела был создан новый институт как подразделение Института прикладной физики РАН. Основной его задачей было изучение сверхпроводимости, но и другие направления предполагались: технология и диагностика твердотельных микро- и наноструктур, многослойная оптика рентгеновского и ультрафиолетового диапазонов, технологии и применения тонких плёнок, поверхностных и многослойных структур.

Сергей Викторович Гапонов становится его директором, и я вдруг получаю предложение перейти к нему. Он предложил мне возглавить отдел спектроскопии. Александр Михайлович Кубарев, помню, очень расстроился. Да и я не хотел уходить. Но в конечном итоге наша команда перешла сюда. Поначалу неудобно было ездить на край города. Тут тогда не было даже асфальта, в дожди надо было не забывать резиновые сапоги.

А несколькими годами раньше, примерно в 1984-м, я ездил в Прагу на конференцию с докладом по моему спектрометру. И там познакомился с двумя братьями-физиками из Германии. Гизбер Винневиссер возглавлял в Кельне Физический институт. А Манфред Винневиссер был профессором в Университете Юстуса Либиха в Гиссене, заведовал кафедрой спектроскопии. Манфред меня очень внимательно слушал, недоверчиво спросил: «Вы действительно при комнатной температуре, без охлаждения, проводите свои измерения? И имеете устойчивый девятый знак после запятой?». – «Да, – говорю, – я же всё на слайдах показал». Манфред помолчал, затем: «А вы можете приехать в Германию и привезти с собой спектрометр?». – «Могу, – отвечаю, – весь вопрос, на какие средства и как визу получить». – «Не беспокойтесь, я всё организую».

В Гиссене мы провели несколько дней совместных измерений, и Манфред Винневиссер, наконец, поверил, что всё это правда. Он хотел купить спектрометр, но я должен был ввезти его обратно в страну. Зато он заказал новый, мы его изготовили, и это был сигнал для Европы, на нас посыпались заказы из-за границы. Тут началась перестройка, страна развалилась, и мне удалось сохранить коллектив благодаря тому, что мы делали спектрометры на заказ. В общей сложности сделали больше десятка. Последний изготовили перед пандемией, исключительно полупроводниковый, компактный вариант. Потом пошли проблемы с комплектующими, а потом санкции. Мы уже не могли делать наши спектрометры на современной базе. Те узлы, которые мы могли купить, не давали нужного качества, а те, которые были нужны, нам не продавали. Ну и рынок насытился понемногу, поскольку за рубежом тоже научились их создавать.

На одной из конференций в Германии я для наглядности привёл данные нашего спектрометра по анализу популярных марок алкоголя: водка «Распутин», виски «Джонни Уокер», Red Lable, Black Label. Метанол там был везде в норме, за этим производители и так следят. А вот нежелательные запахи напиткам придают микроконцентрации сложных высших спиртов, их очень трудно определять и убирать. Ко мне после доклада подошёл один немец: «Вы напрасно это рассказываете открыто. Вас тут убьют просто». Я говорю: «Вот тебе и демократия».

В 2003 году я защитил диссертацию. Одна часть её была по спектрометру, другая по ближнепольной термометрии (бесконтактному измерению температуры). Оба оппонента написали восторженный отзыв и пришли к выводу, что у неё уровень докторской. А оппонентами были Сергей Донатович Снегирев, директор НИРФИ, высококлассный радиоастроном, и доктор наук Шавкат Шарифович Набиев из Курчатовского института. Секретарь диссертационного совета был с ними согласен. Но всё-таки потом решили, что прецедент создавать не стоит.

Когда Всеволод Сергеевич Троицкий, широко известный радиофизик, стал заведующим кафедрой радиотехники на радиофаке университета им. Н.И. Лобачевского, он предложил мне там работать. Он читал лекции, я вёл лабораторные и учил студентов решать задачи. Потом я и сам читал лекции, отдав радиофаку около 30 лет. До сих пор преподаю в Нижегородском политехническом университете терагерцовую фотонику и генерацию высокочастотных сигналов, а на физфаке Университета Лобачевского – ту же фотонику и основы квантовой физики. Честно говоря, я бы освободился от этих обязанностей, которые занимают массу сил и времени, но радует одно – не переводятся талантливые дети в России. И хочется им дать то, что в моих силах.

Расскажу немного подробнее о работе с нижегородским Институтом химии высокочистых веществ РАН по обнаружению примесей. Они сначала проверяли наш метод. Одну пробу делили на три и анализировали хроматографом, масс-спектрографом и нашим прибором. Чаще всего наш метод был более информативным. Мы могли, например, точно определить по линии спектра вещество в пробе, а масс-спектрограф мог дать только вероятностную оценку. Кроме того, масс-спектрометры и хроматографы часто плохо разделяют близкие по составу вещества, микроволновая спектроскопия с этим справлялась лучше.

Этот институт, в частности, поставлял сверхчистый этиловый спирт, который используется в электронике как растворитель. А вот даже микропримеси метилового спирта в таких технологиях могут принести большой вред. Приборы института плохо различали этиловый и метиловый спирты. А в нашем методе линии поглощения этих веществ далеко разнесены, спектрометр их различал чётко. Химики были в восторге от нашего метода. Они как раз готовили поставку в Англию, а мы смогли её паспортизировать с высокой точностью. Был ещё случай: у них не получалось изготовить основу для сверхчистых полупроводников, что-то мешало. Мы обнаружили примесь триметилгаллия, даже еле уловимая концентрация его вносила большие помехи в процесс. Они очистили от него партию, и всё получилось. Директор института академик Григорий Григорьевич Девятых в нас тогда поверил.

Одной из важнейших сфер применения наших КСИ-спектрометров является медицинская диагностика. Современным врачам важно получать информацию о самых начальных признаках нездоровья в клетках, на уровне появления первых «неправильных» молекул в обмене веществ. Анализы крови, гистология, МРТ дают информацию о заболеваниях с опозданием, которое уже не удовлетворяет новейшую медицину. Мы в ИФМ разрабатываем уникальные методики, способные по продуктам испарения тканей различать доброкачественные и онкообразования на ранних стадиях, отслеживать тонкие изменения их метаболизма в процессе лечения.

До сих пор не всегда удаётся уверенно различить доброкачественные и злокачественные новообразования на ранних стадиях. Например, рак мочевого пузыря зримо проявляет себя лишь на III стадии. Невидимые глазу первые «заболевшие» клетки в отличие от здоровых должны выделять другой набор веществ. В то же время у каждого вещества свой уникальный, как отпечатки пальцев, спектр поглощения.

Мы сегодня имеем уникальный спектрометр двухмиллиметрового диапазона с терагерцовым источником излучения на лампе обратной волны. Он обладает сверхкоротким временем прохождения частоты через линию поглощения и способен максимально быстро «схватить» все выделяемые молекулы, пока они не среагировали между собой и не изменились.

Первым интерес к новому методу проявил Андрей Александрович Айзенштадт, хирург-оториноларинголог нижегородской детской городской клинической больницы №1. Он занимался лечением заболеваний уха, горла и носа и искал способы быстро и надёжно различать природу папиллом, кист, полипов на гортани, миндалинах, в околоносовых пазухах. От того, какое заболевание будет диагностировано – онкология, аллергия или воспаление, – зависит выбор лечения. Оказалось, что методика ИФМ РАН по спектроскопии тканевых метаболитов подходит для этих задач. Результаты исследований Айзенштадт представил на Российском онкологическом конгрессе 2024 года.

Национальный медицинский исследовательский центр им. В.А. Алмазова (Санкт-Петербург) приглашал нас провести исследования по определению маркеров диабета в моче пациентов. Этот подход открывает путь к бесконтактному мониторингу основных параметров диабета и преддиабетического состояния. Когда физики точно установят набор и концентрации маркеров этого заболевания в моче, появится возможность разработать их химические визуальные индикаторы. Переход к тест-полоскам вместо глюкометров позволит проводить диагностику безболезненно.

Мы участвовали в совместных исследованиях ПИМУ, ННГУ и Нижегородского областного клинического онкологического диспансера. Наш прибор позволил быстро различать аденому простаты и рак простаты. Исходя из этого врачи назначали операцию или консервативную терапию. Спектроскопия также отслеживала, помогает ли выбранный протокол лечения.

Мы начинали с анализа веществ в выдыхаемом воздухе, учились различать их источники в общем потоке. Сегодня мы работаем с продуктами испарения и терморазложения биотканей. Наша уникальная аппаратура способна точно и быстро выявить самые малые концентрации «неправильных» веществ, выявить сигналы опасных заболеваний, которые не находят ещё отражения в стандартных клинических анализах. Или, наоборот, снять тревогу по поводу онкологии. Метод поможет врачам контролировать успешность лечения, в том числе химиотерапию, вовремя видеть первые нежелательные побочные эффекты.

Или вот при раке лёгких делают лучевую терапию. Иногда на этом фоне возникает пневмония, очень опасная. Важно успеть поймать самые первые клеточные сигналы, предупреждающие о её приближении, и принять контрмеры. Оказывается, спектроскопия позволяет уловить вещества-индикаторы этого осложнения в выдыхаемом воздухе.

Была очень удачная работа, по которой защитила диссертацию моя аспирантка Екатерина Собакинская. Тема касалась разработки экспресс-метода состояния органов перед трансплантацией.

Мы активно работаем с онкологом и урологом ПОМЦ, профессором Вагифом Ахмедовичем Атдуевым. Ищем маркеры ранних стадий рака мочевого пузыря и рака предстательной железы. У нас с ними подписано соглашение о сотрудничестве. Надо сказать, что директор Института физики микроструктур Алексей Витальевич Новиков с интересом относится к нашим изысканиям.

Сегодня мои молодые сотрудники пробуют применять спектроскопию для изучения конфигураций молекул ДНК. Она ведь в длину может достигать 1–2 м. И её функции в клетке зависят от того, как она упакована. Нам не нужно знать всю последовательность нуклеотидов в цепочке, достаточно научиться отличать «формы упаковки», чтобы прогнозировать функциональные изменения в клетках. А изменения формы клубочка молекулы ДНК приводят к определенным изменениям в её спектре. Так же происходит и с белками, которые регулируют гомеостаз клетки.

ДНК сейчас, например, используют не только в медицине и биологии, но и в наноструктурах. Потому что можно синтезировать её с заданной последовательностью и предсказать, как она будет складываться. Существуют, например, аптамеры – это специальные молекулы ДНК, разработанные как лекарство и нацеленные на то, чтобы взаимодействовать с чем-то определённым.

Рентгеноструктурный анализ на этапе синтеза и проверки подобных наноструктур – штука довольно капризная, он хорошо работает с идеальными кристаллами. С жидкими, например, уже начнёт сбоить. А органика не даёт идеальных кристаллов. Кроме того, белки мы хотим смотреть живыми, и метод должен быть не очень громоздким и дорогим. Так что у наших спектрометров с широким диапазоном есть огромное поле для применения.

В наших планах расширить применение спектрометров для решения проблем экологии. Их можно применять для обнаружения вредных веществ над очистными сооружениями и химическими предприятиями. Мы уже смоделировали воздушную «ситуацию» над очистными сооружениями и убедились, что приборы улавливают вредные вещества даже в очень малых концентрациях. И в реальной жизни мы уже определяли сернистые соединения, которые приносит в нашу лабораторию ветер с очистных в Артёмовских лугах. Считается, что в пределах ПДК многие вещества допустимы, но есть и такие, что несут существенный вред даже в следовых количествах.

КСИ-спектрометры могут определять общеядовитые вещества, следы взрывчатки, боевые отравляющие вещества, а значит применимы для обеспечения системы безопасности.

Сейчас наши спектрометры переходят на новую полупроводниковую базу. Это позволит ещё больше расширить их частотный диапазон. Особенно нас интересует малоизученный терагерцовый, в нём достаточно много аналитических линий, по которым можно определять вещества.

Если будут средства для новых комплектующих, спектрометры на полупроводниках ещё удивят новыми открытиями и принесут огромную пользу людям.