«Наука в Сибири» продолжает рассказывать о важных разработках сибирских ученых, которые обсуждались на заседании президиума СО РАН.
Сегодня актуальность исследований в сфере теплофизики многократно увеличивается в связи с тем, что наряду с проблемами теплоэнергетики и атомной энергетики появляются новые технологические задачи, где только режимы кипения и испарения могут обеспечивать требуемые параметры работы нового оборудования. К таким, например, относятся теплообменники-испарители, авиационная ракетная и теплонасосная техника, тепловые трубы и сифоны, паровые камеры. Кроме того, на первый план также выходит охлаждение в микроэлектронике, поскольку все примеры развития обработки данных исчерпаны, поэтому сегодня нужно развивать более совершенные методы съема тепла.
Значительных успехов в этих направлениях продолжает достигать лаборатория низкотемпературной теплофизики Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, где ученые заняты проблемами управления экстремальными процессами тепломассообмена при кипении и испарении. Например, разработана модель описания кризиса кипения при нестационарном выделении, которая на сегодняшний день является наиболее полной и законченной, поэтому уже вошла во многие учебники. Полученные на ее основе расчетные зависимости для критического теплового потока успешно используются для разных классов жидкостей в широком диапазоне изменения режимных параметров и характеристик тепловыделяющей стенки.
«Важнейшим результатом наших исследований стало применение метода микроструктурирования протяженных теплоотдающих поверхностей, которое позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи примерно в три раза, что не уступает по теплообменным показателям традиционным и существенно более дорогостоящим способам интенсификации теплообмена при кипении», — сообщил член-корреспондент РАН доктор физико-математических наук Александр Николаевич Павленко. По замечанию ученого, технология нанесения покрытий на пакеты алюминиевых труб особенно перспективна для производства крупномасштабных спиральновитых теплообменников, предназначенных, в частности, для сжижения природного газа.
Директор Научно-исследовательского института комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний (Кемерово) член-корреспондент РАН Ольга Леонидовна Барбараш рассказала про фундаментальные и прикладные аспекты коморбидности при атеросклерозе.
Коморбидность — это сосуществование у одного пациента двух или более заболеваний, синдромов или психических расстройств, связанных между собой единым патогенетическим механизмом или совпадающих по времени.
Например, кальций-фосфатные бионы (соединения фосфатов кальция с белками) участвуют в формировании атеросклеротического процесса. Их предназначение — вывести избыток кальция из кровотока, чтобы он не откладывался в сосудах и артериях. Однако в то же время они повреждают эндотелий, что способствует развитию атеросклероза.
«Мы пришли к выводу, что у пациентов с тяжелым атеросклерозом параллельно снижается минеральная плотность костной ткани. То есть они предрасположены к развитию остеопороза, — отмечает Ольга Барбараш. — Высокий риск развития инфарктов и инсультов идет параллельно с высоким риском получения переломов кости».
В лабораториях института ученые ищут причины взаимосвязанности этих заболеваний. Согласно их основной гипотезе, в основе развития атеросклероза и кальциноза лежат системные воспалительные реакции и дефицит половых гормонов.
Также с проблемами атеросклероза оказалось связано ожирение. «Мы пришли к выводу, что фенотип ожирения у пожилых и молодых людей абсолютно разный, также он отличается у здоровых людей и больных атеросклерозом. Если у молодых и здоровых жир распределяется в основном в подкожной жировой клетчатке, то у пожилых он расположен вокруг жизненно важных органов, в том числе вокруг сердца», — говорит исследовательница. Такой жир является крайне провоспалительным. Ученые доказали, что он тесно связан с процессами кальциноза.
Развитие методов секвенирования за последние 15 лет привело к накоплению огромного объема данных о геномах и транскриптомах. Поэтому сегодня особенно актуальна задача развития технологий анализа больших геномных данных (область интересов биоинформатики), а также методов экспериментальной верификации предсказаний и моделей. Последнее основано на обратной генетике, которая применяется на практике для получения вирусоустойчивых и высокоадаптивных форм растений. Ее изучением занимаются сотрудники ФИЦ «Института цитологии генетики СО РАН».
«Обратная генетика также связана с геномным редактированием, которое, в отличие от генной инженерии, позволяет вносить прецизионные изменения в геном без сопутствующих мутаций различных служебных элементов, — рассказал директор ФИЦ ИЦиГ СО РАН член-корреспондент РАН Алексей Владимирович Кочетов. — Например, эта сложная, но очень нужная технология позволяет получить голозерный сорт ячменя из пленчатого за один или два года, тогда как классическая селекция займет не менее 7—10 лет. Основная трудность обратной генетики в том, что под каждый сорт требуется подбирать культуральную основу».
Наряду с этим с 1990-х работа института сосредоточена на изучении процесса переноса генетической информации между ДНК и белком. За это время ученые провели цикл исследований, опровергший убеждение, что с одной мРНК может считываться лишь один белок. С привлечением методов компьютерного теоретического анализа удалось показать: с эукариотических РНК-генов животных, растений, дрожжей может считываться более одного белка. Полученные данные о скрытом кодирующем потенциале эукариот внесли вклад в смену парадигмы.
Работы последнего десятилетия основаны на анализе омиксных данных сельскохозяйственных растений. «Например, многим болезням подвержен хорошо известный всем картофель, — отметил Алексей Кочетов. — Путем выявления реакции генов на патогены мы провели реконструкцию механизма его устойчивости к золотистой картофельной нематоде. Кроме того, на примере фитофторы сделали сравнительный анализ транскриптомов российских и зарубежных сортов картофеля. Выяснилось, что данные культуры содержат большое количество генов, устойчивых к патогенам. На этой основе мы составили каталог наиболее перспективных для селекции генов, который уже используется в сельском хозяйстве». Применив этот же подход, ученые проанализировали репозитории транскриптомных данных по всем сельскохозяйственным растениям, для которых будут составлены аналогичные каталоги.
Директор Института сильноточной электроники СО РАН (Томск) доктор физико-математических наук Илья Викторович Романченко рассказал о развитии направления по генерированию мощного СВЧ-излучения на основе линий с ферритом.
«Мощные наносекундные гигагерцовые импульсы СВЧ-излучения необходимы, когда на некотором удалении нужно создать высокую плотность электромагнитной волны или, другими словами, напряженность электромагнитного поля, воздействующего на электронику, — пояснил ученый. — Данное направление стало актуальным с начала 2000-х годов, когда полупроводники начали внедряться в различные робототехнические комплексы, прежде всего беспилотные летательные аппараты, представляющие теоретическую угрозу, и с помощью этой технологии можно на них воздействовать».
Сейчас используются в первую очередь генераторы очень коротких широкополосных импульсов, меньше наносекунды, соответственно энергии в их электромагнитном излучении очень мало, а также длинноимпульсные системы, где длительность импульсов уже достигает микросекунд. «И те и другие по факту оказываются достаточно громоздкими: их масса измеряется даже не единицами тонн», — подчеркнул Илья Романченко. Длинноимпульсные системы к тому же создают достаточно длинные фронты излучения, которые современные защитные технологии способны отфильтровывать, поэтому необходимо воздействие, которое очень быстро нарастает и в то же время обладает мощной энергией.
Именно такими импульсами занимаются ученые ИСЭ СО РАН. «Когда в середине 2000-х мы начали развивать эту тематику, достаточно быстро вышли на высокую мощность, что позволило сделать импульсы инструментом электромагнитного воздействия, — отметил И. Романченко. — Созданный нами генератор обладает увеличенными длительностью СВЧ-импульса благодаря пространственной дисперсии и СВЧ-мощностью, при этом масса магнитов составляет менее одного килограмма».
В 2016 году Илья Романченко был удостоен премии Президента Российской Федерации в сфере науки и инноваций для молодых ученых — «за разработку гиромагнитных генераторов сверхмощных радиоимпульсов, способствующих защите от террористических угроз и развитию биомедицинских технологий». В настоящее время специалисты ИСЭ СО РАН решают задачи по генерированию в низкоомных линиях без соленоида СВЧ-импульсов с пиковой мощностью 1,5 ГВт, а также по повышению КПД СВЧ-генерации свыше 20 % за счет многократного вторичного использования высоковольтного импульса для СВЧ-генерации в линиях с ферритом.
«Наука в Сибири»
Изображение Екатерины Гнеушевой
