Владимир Лейбович Вакс
Заведующий отделом терагерцовой спектрометрии ИФМ РАН,
кандидат физико-математических наук.
Родился 25 ноября 1946 года.
Фрагмент из воспоминаний. Полная версия
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.