Уникальный электронный нос, который позволит определять качество воздуха, свежесть продуктов и диагностировать легочные заболевания, создан командой химиков-синтетиков, физических химиков, физиков, инженеров и программистов.

Молодые ученые из Института синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН создали электронный нос на основе монослойных органических полевых транзисторов для задач экологического мониторинга и диагностики легочных заболеваний по выдыхаемому воздуху. Проект был поддержан грантом Российского научного фонда (РНФ). Аскольд Труль, научный сотрудник, кандидат химических наук, младшие научные сотрудники Даниил Анисимов и Виктория Гайдаржи за свою разработку в приборостроении стали лауреатами Премии Правительства Москвы молодым ученым за 2022 год.

Выдыхаемый человеком воздух содержит до 700 соединений, которые могут указывать на состояние организма. Эти данные уже используются для постановки таких диагнозов как сахарный диабет, хроническая обструктивная болезнь легких и даже COVID-19. С другой стороны, продукты питания при порче начинают выделять летучие соединения, анализируя которые можно делать выводы о степени свежести и безопасности употребления в пищу. Как правило, для таких исследований используются методы газовой хроматографии, масс-спектрометрии или оптической спектроскопии, однако установки для этого очень дороги, массивны и сложны в обращении. При этом многие прикладные задачи могут быть решены с помощью компактного устройства. Ученые, создавшие уникальный электронный нос, рассказали о коллективной разработке, о своем пути в науку, видении научной работы и философских взглядах.

Путь в науку

Аскольд Труль рассказал, что идея о научной работе пришла к нему еще в средней школе, подпитанная рассказами родителей, которые долгое время работали в науке. Также положительный эффект на это решение оказало участие в учебных исследовательских проектах, которые курировали студенты вузов. После поступления в университет он начал работать в реальной лаборатории – и, наверное, в этот момент окончательно убедил себя, что наука — это то, с чем он хотел бы связать свою жизнь.

О том, чтобы заниматься наукой, Виктория Гайдаржи всерьез задумалась на первом курсе магистратуры, когда попала в научную лабораторию, где работает по сей день. Первое, что ее сильно удивило и привлекло – это довольно молодой коллектив ученых, которые работают в Институте синтетических полимерных материалов, в том числе и ее научный руководитель. Виктории очень нравилось, как люди умеют ставить перед собой интересные и актуальные задачи и грамотно искать пути их решения, помогая друг другу. Она поняла, что для того, чтобы загореться наукой, – самое главное попасть в правильную научную среду, где люди занимаются тем, что им близко, идут в ногу со временем и мировыми трендами.

Даниил Анисимов рассказал, что неосознанно выбрал физический факультет МГУ и только в 20 лет, когда пришлось выбирать кафедру, понял, что наука может быть не только образованием, но и профессией. Раньше для него это было чем-то, чем занимались люди из кино и учебников, и только первые наставники показали, что это и для Даниила может стать делом жизни. В своей первой лаборатории он понял, насколько захватывающим бывает исследование вопросов, которые раньше оставались без ответа.

От идеи к открытию

Аскольд Труль и Даниил Анисимов рассказали о том, как появилась идея их разработки и как шел процесс научного исследования от идеи до окончания работы.

Даниил: Как плод любопытства и усердия в решении загадок. Творческий импульс, дисциплиной удерживаемый в рамках.

Аскольд: Рождение научной идеи — это сложный и порой спонтанный процесс, который в целом может идти любым путем. Опытным на основе своих или опубликованных экспериментальных данных. Также у ученого случается озарение, и вкупе с логическими размышлениями оно дает результат.

Наша идея состоит из нескольких аспектов, каждый из которых сам по себе не новый, однако, мы были первыми, кому удалось успешно их все объединить. Началось наше исследование с идеи использовать многослойные органические полевые транзисторы в качестве основы для сенсорных элементов и металлопорфирины в качестве различных рецепторных слоев. Эту информацию мы подчерпнули из литературы. Далее мы постепенно продвигались, решая проблему за проблемой с точки зрения работоспособности самого сенсорного элемента, разрабатывали методику создания массива таких датчиков на одной подложке, что уже является нашей оригинальной разработкой. И также отдельно шла разработка собственного портативного измерителя, который мог бы получать данные с массива таких датчиков и выдавать результат обработки.

Аскольд: Область, в которой он был выполнен, является мультидисциплинарной, поэтому невозможно было обойтись без хорошо слаженной команды, которая объединила специалистов в области химии, науки о материалах, физики, инженерном деле и программировании. Каждый из нас занимался именно тем, что умел делать лучше всего – кто-то синтезом новых молекул для активных слоев сенсоров, другие –  разработкой методики изготовления конечных сенсорных устройств, отдельно были те, кто занимался разработкой методики измерения сенсоров, и, конечно, не обошлось без инженеров и программистов, которые занимались разработкой измерителя, а также ПО для его управления.

Даниил: В междисциплинарной науке требуются согласованные действия специалистов различного профиля – в нашем случае химиков-синтетиков, физических химиков, физиков и инженеров.

Даниил: Электронный нос – компактное устройство для анализа воздуха, чувствительное к тонкому изменению концентрации определенных соединений. Он может использоваться в экологическом мониторинге, в анализе качества продуктов питания.

Аскольд: Нам удалось создать электронный аналог обонятельной системы, которая благодаря специальным сенсорным элементам способна определять очень низкие концентрации веществ (несколько десятков миллиардных долей). Как и обоняние человека, наш электронный аналог состоит из массива рецепторов (сенсоров) и «головного мозга» (процессора), который можно обучить на известных смесях. Так же, как мы сами в детстве познаем мир и узнаем, как, например, пахнут розы или ромашки, а после, если в воздушной атмосфере будет похожий запах, узнаем его, так и прибор запоминает запах, и при его повторении об этом сообщает.

Применений у таких устройств несколько, например, это анализатор свежести продуктов для умных холодильников, который вам сообщит, что какой-то из продуктов нужно срочно использовать. Второе возможное применение — это диагностика заболеваний с помощью анализа выдыхаемого воздуха – конкретно это направление мы сейчас развиваем совместно с Центром стратегического планирования и управления медико-биологическими рисками здоровью Федерального медико-биологического агентства. И последнее возможное применение — это, конечно, анализ качества атмосферного воздуха. Если создать сеть из таких датчиков вокруг какой-то потенциально опасной области, то можно будет определять, например, источник проблемы и быстро его устранять.

Аскольд: Для меня это переход от лабораторных разработок, которые обычно можно измерять только с помощью лабораторного оборудования, к реальным устройствам, которые мог бы использовать каждый. Мы усиленно работаем, чтобы это стало реальным, и стремимся, чтобы соотношение было как можно выше.

Даниил: Переход от интересных концепций и методов к решению насущных проблем. Грань проходит между пользой для других ученых и пользой для других людей.

Научное познание и популяризация науки

Аскольд: Мне, наверное, в философии науки импонирует учение позитивистов в том смысле, что наши знания — это результат научного познания. Более того, я считаю, что научное познание существенно важно не только для самой науки, но для общества. С этой точки зрения мне очень нравится работать именно в прикладной науке, в которой, порой, складывается ощущение, что все наши фундаментальные наработки можно переложить в какие-то вещи, которые будут исключительно полезны обществу.

Какого-то конкретного ученого мне выделить сложно, скажу только, что мне очень нравится физика и многие ученые, которые работают в этой области. На протяжении длительного отрезка времени в этой науке пришли к соединению эмпирических данных и развитых теорий, которые логически вытекают друг из друга и подкрепляют друг друга.

Даниил: В настоящий момент существует консенсус по подавляющему количеству фундаментальных вопросов физики. При этом некоторые революционные  идеи, например, философские уроки Алана Тьюринга, прославившегося в  1950-е годы, мы еще только начинаем постигать.

Аскольд: В любом научном направлении бесконечное число путей и возможностей для исследования, включая как фундаментальные, так и прикладные аспекты. Наше – не исключение, и поскольку сама по себе тематика достаточно молодая, в ней всегда найдется еще тема для исследования.

Даниил: В нашей теме не осталось фундаментальных белых пятен, однако процесс улучшения практических результатов, достижимых с нашей технологией, бесконечен.

Аскольд: В первую очередь, я думаю, целью популяризации науки является распространение знаний. Делать это необходимо простым языком, который был бы понятен большинству людей, что в свою очередь будет способствовать повышению среднего уровня знаний.

Для самих ученых это конечно, возможность также сделать себе рекламу, найти единомышленников или заинтересовать своим исследованием молодое поколение.

Даниил: Поддерживать интеллектуальный дискурс в обществе на достойном уровне, удерживать его от упрощений, стереотипного и попросту обывательского восприятия феноменов жизни.

Аскольд: Главная проблема для молодых ученых это, конечно, вход в науку. С одной стороны, на это влияет собственный интерес, а, с другой стороны, встает финансовый вопрос. Зарплаты у ученых в среднем все-таки все еще не очень высокие, и, порой, в самом начале карьерного пути ученому сложно встать на ноги в финансовом плане. На этом же фоне часто остро встает квартирный вопрос. Поэтому, конечно же, хотелось бы иметь больше поддержки со стороны государства. А также хотелось бы наладить более прочную связь с индустрией, что помогло бы в различных аспектах (обновление базы оборудования, дополнительные проекты, дополнительное финансирование). Это сотрудничество может быть взаимовыгодным как для государственных научных учреждений, так и для их индустриальных партнеров.

Участвовать в конкурсном отборе Премии Правительства Москвы могут исследователи и разработчики в возрасте до 35 лет включительно, доктора наук — до 40 лет включительно. Представлять проекты можно как индивидуально, так и в составе научного коллектива (не больше трех человек).

Премию проводят Правительство Москвы, Департамент образования и науки города Москвы, Корпоративный университет московского образования.