Выращивание кристаллов в космосе ссср. Особенности выращивания кристаллов биоматериалов в невесомости

© И.Ж.Безбах, В.И.Стрелов, Б.Г.Захаров
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского , г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2004 г.

Одним из важных направлений как земной, так и космической биотехнологии является получение кристаллов биомакромолекул с целью определения их пространственной структуры кристаллографическими методами и дальнейшего использования полученной информации в биологических, медицинских и промышленных целях.

За последние несколько десятков лет были получены результаты по сотням макромолекул и тысячам их кристаллов, были значительно усовершенствованы методики кристаллизации, наука о выращивании кристаллов биоматериалов из эмпирической становится все более точной. Однако до сих пор стабильное получение биокристаллов пригодного для исследований размера и однородности является проблемным местом во всем этом процессе. К настоящему времени около 35% кристаллов белков, серийно выращенных в космических условиях, оказались более высокого структурного качества, чем полученные в аналогичных условиях на Земле. В невесомости удалось получить биокристаллы, превосходящие по объему и разрешению любые из их земных аналогов. Однако же остальные 65% кристаллов вопреки прогнозам оказались худшего качества, чем их земные аналоги.

В этой связи важно определить, какие факторы являются определяющими с точки зрения качества получаемых биокристаллов. Из-за слабых сил связи между молекулами в биокристаллах влияние как внешних условий, так и внутренних причин на процесс кристаллизации может быть определяющим. Обычно считается, что необходим переход к чисто диффузионным условиям. В полной мере это достижимо при проведении экспериментов в условиях невесомости.

Основным негативным моментом, влияющим на процесс кристаллизации биоматериалов на Земле, является следующее: в земных условиях, помимо диффузионного массопереноса, типичным является возникновение конвективных течений в растворе, что, при большой их величине, может крайне негативно влиять на процессы роста и качество получаемых кристаллов. Также может наблюдаться осаждение кристаллов, нарушающее симметричность подвода к ним растворенного биоматериала и влияющее на их форму. При этом попытки различными способами осуществить кристаллизацию биоматериала за счет исключительно диффузионного механизма приводит к значительному увеличению требуемого для проведения эксперимента времени и снижению устойчивости условий эксперимента.

В космических же условиях эти недостатки устранимы. Однако свое влияние обычно начинают оказывать вибрационные воздействия, особенно значительные на борту Международной космической станции. При этом важным являются способы их влияния и механизмы их компенсации.

Дальнейшее изучение процесса кристаллизации биоматериалов с целью лучшего его понимания, совершенствование методик кристаллизации и аппаратуры, снижение влияния внешних условий на процесс и т. д. даст возможность проведения космических экспериментов с получением совершенных биокристаллов.

© В.И.Стрелов, Б.Г.Захаров
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского , г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2008 г.

Анализ результатов экспериментов по выращиванию монокристаллов полупроводников в реальных условиях микрогравитации на борту космических аппаратов показывает, что по совокупности свойств полученные в космических экспериментах кристаллы были не лучше полученных в земных условиях. Они имели, как правило, или значительную микронеоднородность (полосы роста), или макронеоднородность распределения легирующей примеси по диаметру и длине слитков, происхождение которых может быть связано только изменением характера и возрастанием интенсивности конвекции в расплаве. Поэтому, для достижения высокой однородности свойств выращиваемых кристаллов необходимо в расплаве обеспечить условия диффузионного тепломассопереноса.

Эти условия и ожидаемые предельные параметры кристаллов могут быть получены:

– при отсутствии термогравитационной конвекции,

– при исключении свободной поверхности расплава,

– при минимизации внешних квазистатических воздействий на расплав, вызывающих в условиях микрогравитации из-за возрастающей гравитационной чувствительности расплавов вынужденные конвективные течения в них и, соответственно, неоднородность состава и свойств выращиваемых кристаллов.

Только в условиях диффузионного тепломассопереноса свободный рост кристаллов будет происходить в стабильных температурных условиях путем самоорганизации атомов и будут обеспечиваться однородность состава и свойств на этом уровне. В этих условиях можно получить эталонные образцы или отдельные рабочие образцы, на которых будут не только определены параметры кристаллов, но на них могут быть изготовлены образцы оптоэлектронных приборов с предельно достижимыми параметрами. Однако в настоящее время эти условия трудно реализуемы.

Поэтому основная задача космических технологий заключается не в организации серийного производства в космосе кристаллов из расплава, а в использовании новых знаний о процессах кристаллизации, получаемых в космосе, в земных технологиях с максимальным приближением к условиям, обеспечивающим минимизацию конвективных процессов.

Для современных приборных технологий требуются высокооднородные легированные кристаллы диаметром несколько сотен миллиметров. При этом для их выращивания необходимы многотонные установки, которые нереально и нет необходимости располагать в космосе, тем более, когда им есть альтернатива на Земле за счет минимизации конвективных процессов в расплавах. Как следует из анализа экспериментальных и теоретических исследований процессов тепломассопереноса в расплавах полупроводников, это проблема чисто техническая: прежде всего это минимизация радиального градиента температуры, точность ориентации направления кристаллизации и отсутствие свободной поверхности расплава.

Первые эксперименты по получению материалов в космосе начались 50 лет назад. За прошедшие годы основные методики и подходы к данным исследованиям не претерпели больших изменений, но цели работ, лежащих в этом русле, стали совсем другими: от поиска новых термостойких металлов учёные перешли к полупроводниковым кристаллам для солнечной энергетики. К очередному эксперименту из этой серии готовятся исследователи из совместно с коллегами из Университета Хьюстона (University of Houston): на борту Международной космической станции (МКС) они хотят вырастить кристаллы совершенной структуры для солнечных панелей.

Полупроводниковые кристаллы – это основа всей электроники, и, конечно, существует масса методов их получения в земных условиях. К сожалению, все они обладают общими недостатками: выращенные кристаллы часто оказываются неоднородными, слишком маленькими или испорченными посторонними примесями. Причин на то много, но среди них существует одна наиболее общего характера – сила притяжения. В земных условиях гравитация порождает явление термогравитационной конвекции, перемешивания жидкости под действием разности температур в поле тяготения. В условиях же космической невесомости роль этого фактора значительно спадает, и становится возможным получать полупроводниковые кристаллы более чистой структуры и совершенного состава.

Первые эксперименты по выращиванию материалов в космосе начались вскоре после полёта Гагарина , в 1961 году, и их результаты часто оказывались противоречивыми. Так, кристаллы Ge(Ca) и InSb(Te), полученные в американских экспериментах «Скайлэб», отличались высокой однородностью структуры, а кристаллы с борта «Аполлона-Союза», напротив, проигрывали своим земным аналогам. Причин для подобных неудач приводилось несколько: вибрации механизмов, остаточные микроускорения (ускорение свободного падения на борту космических аппаратов не равняется строго нулю вопреки распространяемым заблуждениям), некоторые конвекционные эффекты, незаметные при земном притяжении. Так учёным стало понятно, что космические условия намного сложнее, чем выглядят на первый взгляд, и многие эксперименты стали сопровождаться численными моделированиями. Они подтвердили: получать кристаллы совершенной структуры в космосе возможно, но чрезвычайно трудно.

Поэтому следующим этапом в изучении возможностей создания идеальных кристаллов стал метод физического моделирования. Полупроводниковые кристаллы часто получают методом направленной кристаллизации. Грубо говоря, тигель с нагретым расплавом нужного состава постепенно вносится в область с пониженной температурой, где и начинают расти кристаллы. Для ослабления земного явления термогравитации в подобных условиях учёные предложили перемещать не сам расплав, а создавать движущееся температурное поле с малыми радиальными температурными градиентами. Такой подход позволил моделировать космические условия роста кристаллов и заранее планировать эксперименты с экономией времени и материала. Один из самых ярких подобных опытов был проведён самими авторами обзорной статьи. Полупроводниковые кристаллы GaSb(Te) были перекристаллизованы в земных условиях и на борту АКА «Фотон-М3». В обоих случаях получились однородные кристаллы высокой чистоты, в которых наблюдались некоторые периодические зависимости физических свойств от структуры. При этом период зависимости для космических образцов составил 90 минут (что совпадает с периодом обращения спутника), а для наземных – 5–20 минут.

Очередной эксперимент по получению полупроводниковых кристаллов в космосе планируется провести уже в 2013 году. На борту МКС исследователи хотят вырастить кристаллы совершенной структуры для солнечных панелей – так уже отработанные методики находят новые практические приложения. При этом результаты подобных, несколько экзотических экспериментов помогают и совершенствованию наземных технологий.

Подробно результаты теоретических и экспериментальных работ, посвящённых выращиванию в космосе полупроводниковых кристаллов, описаны в обзорной статье российских физиков из ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН и НИЦ «Космическое материаловедение» . Публикация размещена на страницах журнала «Физика твёрдого тела» . Материалами для обзора послужили как многочисленные результаты исследований самих авторов, так и наиболее яркие работы их зарубежных коллег.

Успешно совершившим свою исследовательскую миссию весной 2013 года, настала очередь "Фотона". Внешне космические аппараты - братья-близнецы. Но по научным задачам различаются. "Фотон-М" под номером 4 предназначен для проведения на орбите экспериментов в сфере космических технологий по производству полупроводников в условиях микрогравитации, биотехнологий для получения новых знаний по физике невесомости. "Фотон" отправится на орбиту через неделю.

В повседневной жизни мы даже не задумываемся, что соль, сахар, металлы, драгоценные камни — все это кристаллы. Сегодня без них не обходится ни один электронный прибор.

"Первая космическая установка по выращиванию кристаллов. В 1976 году на станции "Салют-5" на ней выращивали алюмокалиевые кристаллы. Никаких особых условий для их выращивания не требовалось, ни специальных температур, ни давления, ученым необходимо было посмотреть, как влияет отсутствие гравитации на кристаллическую решетку. И, кажется, с тех времен здесь еще что-то осталось", — рассматривает содержимой космической установки по выращиванию кристаллов Ксения Зима.

Исследования по выращиванию кристаллов на орбите показали, лучше всего там растут белки.

" , одна из задач - получить кристалл очень чистый, получить однородный кристалл. Для белков подавление конвекции - это благоприятный фактор. В космосе подавляется движение жидкости, поэтому там они лучше растут", — поясняет заместитель директора Института кристаллографии РАН Алексей Волошин.

На Байконуре завершилась установка научного оборудования в космический аппарат "Фотон-М". Старт — в ближайшее время. На борту спутника — приборы для десятков экспериментов по кристаллографии, материаловедению, биологии, микробиологии. И это лишь часть направлений. Словом, "Фотон" - кластер научных идей.

"Уникальность в том, что предыдущие "Фотоны" у нас больше чем на 20 суток не летали. Этот полет планируется на 60 суток. Это первое. Второе, на этом космическом аппарате имеется двигательная установка, мы можем поднимать аппарат на более высокую орбиту. Мы будем летать на высоте 500 километров", — отметил начальник отдела ракетно-космического центра "ЦСКБ-Прогресс" Валерий Абрашкин.

Чем выше, тем лучше, утверждают ученые. 500 километров - ближний космос: уже не так сильно влияет атмосфера, очень слабая гравитация, а значит, и чистота экспериментов будет высокой.

"На этом космическом аппарате у нас летит 22 типа аппаратуры. На каждой аппаратуре — несколько экспериментов. То есть мы постарались скомпоновать космический аппарат таким образом, чтобы ученые различных направлений исследований могли поставить свои эксперименты и получить нужную научную информацию", — продолжил Валерий Абрашкин.

Внешне "Фотон" похож на научный биологический аппарат "Бион". Братья-близнецы. Круглая капсула, которая и наполняется научными приборами. При возвращении из космоса она не сгорает в атмосфере, все эксперименты возвращаются на Землю.

В отличие от "Фотона" на биоспутниках есть система жизнеобеспечения. Поддерживается определенная температура, давление, уровень кислорода, так как основные пассажиры "Биона" - живые организмы. "Фотоны" пассажиров не возят, на них ученые проводят технологические эксперименты.

"Полезная нагрузка — одно из устройств кристаллизации белков, которые полетят на "Фотоне". Устройство основано на принципе встречной диффузии жидкости", — говорит Алексей Волошин.

Именно на орбите удается получить более точные белковые структуры. Для фармацевтов это большая помощь в создании новых эффективных лекарств.

"Если это белок какой-то вредной бактерии, то подбирают вещество, которое должно подавить структуру этого белка. Если белок выполняет полезную функцию, подбирают вещество, которое должно усилить эту функцию", — рассказывает о сути экспериментов замдиректора Института кристаллографии РАН Алексей Волошин.

В другой лаборатории работают настоящие стоматологи. Пломбируют лунки базальтов, в которых находятся микроорганизмы. Пластины с микробами прикрепят на внешнюю сторону корабля "Фотон".

Бактериям предстоит выдержать космическую радиацию, а при возвращении - высокие температуры. Если не погибнут - у сторонников теории панспермии — что жизнь на Земле посеяли метеориты - появится веский аргумент.

"После посадки разогретый базальт вынимается и дальше смотрят — выжили ли микроорганизмы. Так проверяется теория панспермии", — рассказывает замдиректора Института медико-биологических проблем РАН Владимир Сычев.

Микробов подбирали особых, которые выдержат гигантские температуры в сотни градусов. Правда, у иностранных коллег подобный эксперимент не получился - бактерии погибли. Однако отрицательный результат только вдохновил наших микробиологов.

"Мы, вдохновленные опытом европейских коллег, решили расширить спектр микроорганизмов. Вместе с Институтом микробиологии РАМН создали коллекцию тех культур и ассоциаций, которые именно могли быть внесены на Землю в составе метеоритов", — рассказал заведующий лабораторией Института медико-биологических проблем РАН Вячеслав Ильин.

Впервые на этом "Фотоне" будет нарушено главное правило: животных не возить. На космическом аппарате в своей специально оборудованной каюте.

"Этот вид обитает на острове Маврикий, основные причины, по которым был выбран этот вид, небольшие размеры, а самая главная причина, что этот вид может обходиться без живого корма, что позволит им в течение 2 месяцев прекрасно существовать", — подчеркивает ведущий научный сотрудник Института медико-биологических проблем РАН Рустам Бердиев.

Главная особенность этих животных, которая и привлекла ученых, гекконы могут цепляться к любой поверхности. Поэтому в невесомости они не летают, а живут своей привычной жизнью и прекрасно себя чувствуют. Ну, если только во время старта их немного подбросит.

"Они фиксируются на поверхности, их много видов, у кого-то на лапках есть присоски специальные или маленькие крючочки, они прилипают к любой поверхности, для них поверхность важнее, чем гравитация. Они прилипают к поверхности стенок и не испытывают стресса флотации. А раз так, мы впервые в истории смогли избавиться от стресса", — подчеркнул заведующий лабораторией НИИ морфологии человека Сергей Соловьев.

Многочисленные эксперименты на гекконах подсказали ученым, как бороться с негативным влиянием невесомости на людей. От долгого пребывания на орбите у космонавтов вымывается кальций из организма. У гекконов такого не наблюдалось.

"Оказалось, что классическая модель - это деминерализация скелета, оказалось, гекконы, которые могут крепиться к поверхности. Это избавляет их кости от деминерализации. Гекконы показали путь, по которому надо развиваться дальше, чтобы снижать деминерализацию скелета космонавтов", — отмечает Сергей Соловьев.

Отправлять в космос аппараты только ради науки начали 40 лет назад. С тех пор были запущены десятки спутников. На орбите бывали обезьяны, мыши, рыбки. И каждый такой полет - еще один шаг к заветной мечте человечества — межпланетным перелетам.

Недавно ученым из Японии удалось вырастить идеальные кристаллы твердого гелия, что в земных лабораториях сделать весьма непросто - они легко деформируются под действием силы тяжести. Однако исследователи поступили весьма оригинально - они выращивали гелиевые кристаллы в условиях невесомости, которые были созданы на борту реактивного самолета.

Перед тем как начать рассказ о кристаллах твердого гелия, нужно напомнить о том, зачем вообще ученым они понадобились. Как мы знаем, среди различных агрегатных состояний вещества кроме жидкого, твердого и газообразного имеется еще и такое, которое называют конденсатом Бозе-Эйнштейна. В таком состоянии вещество состоит не из молекул и атомов, а из бозонов, охлаждённых до температур, близких к абсолютному нулю.

Одним из интересных свойств конденсата Бозе-Эйнштейна является сверхтекучесть - состояние, при котором он обладает нулевой вязкостью, то есть при прохождении через различные отверстия или просто по поверхности между ним вообще не возникает трения. Сами понимаете, такое свойство может быть весьма полезным. Кроме того, доказано, что в сверхтекучем состоянии вещества могут являться еще и высокотемпературными сверхпроводниками.

Словом, если бы ученые смогли переводить без всяких проблем известные нам вещества в сверхтекучее состояние, можно было бы решить множество проблем. Но вот беда - сделать это пока достаточно сложно. В то же время еще в 60-х годах прошлого столетия высказывались предположения о том, что сверхтекучестью могут обладать и некоторые твердые тела, особенно те, что образовывают кристаллы. И самыми первыми кандидатами на роль таковых назывались кристаллы твердого гелия, которые образуются при давлении более 25 атмосфер.

Еще в 2004 году американские физики из Университета Альберты сообщили об экспериментальном наблюдении совершенно неожиданного эффекта - сверхтекучести в твердом гелии. Однако их эксперименты не удалось воспроизвести в других лабораториях, в результате чего достоверность результатов данной работы была подвергнута сомнению. Чуть позже, в 2009 году, физикам из Калифорнийского университета в Беркли удалось получить газ рубидия в состоянии сверхтекучего твердого тела.

Однако подобное направление признали неперспективным - дело в том, что с рубидием сложно работать. Хотя он по распространенности в земной коре находится примерно на 20-м месте (как медь, никель и цинк), однако в природе этот металл существует в рассеянном состоянии, не образуя собственных минералов и встречаясь в основном вместе с другими щелочными элементами, например, с калием. То есть его достаточно сложно добывать, что делает все исследования с ним весьма дорогостоящими.

Из-за этого ученые вновь решили вернуться к любимому всеми гелию. Но чтобы исследовать его свойство сверхтекучести в твердом состоянии, сперва необходимо вырастить те самые кристаллы. В принципе это не сложно - для этого всего-то нужно создать давление выше 25 атмосфер и опустить температуру до -272 градусов по Цельсию. Было неоднократно показано, что в такой "морозилке" кристалл образуется практически за секунды. Однако есть еще одно "но": когда кристаллы гелия растут при наличии гравитации, они легко деформируются. А это сильно сказывается на всех их свойствах, в том числе и на сверхтекучести.

И вот недавно ученые из Японии предложили весьма оригинальный способ справиться с этой проблемой - нужно просто выращивать кристаллы в невесомости! Причем совсем не обязательно делать это в космосе - исследователи использовали для своих экспериментов небольшой реактивный самолет. Ведь при определенных траекториях движения, например, в параболическом полете, этот аэроплан мог находится в условиях невесомости в течение 20 секунд, чего вполне достаточно для того, чтобы вырастить нормальный кристалл. В итоге за 20 часов полетов физики сумели провести целых восемь экспериментов!

Опыты проходили так: сначала по стандартной технологии выращивались первичные кристаллы, а после их сбрызгивали "каплями" гелия-4, который уже находился в сверхтекучем состоянии. Все это происходило в специальном бортовом холодильнике. Большие кристаллы гелия размещали в его нижней камере высокого давления, а затем дробили их акустической волной, чтобы разрушить на мелкие кусочки. После того как их спрыскивали сверхтекучим гелием-4, кристаллики меньшего размера плавились, а крупные же быстро росли, достигая в итоге размера около 10 мм.

В итоге исследователям удалось полностью пронаблюдать процесс формирования кристалла. Интересно, что он был похож на явление, которое называют Оствальдовским созреванием. Его можно наблюдать в привычной жизни на примере мороженого: с течением времени в нем более крупные кристаллы льда присоединяют к себе мелкие, и в итоге весь продукт становится твердым и хрустящим. Но в этом случае Освальдовское созревание происходит достаточно медленно, а вот с гелием эффект получился весьма быстрым - процесс занял секунды.

"Кристаллы гелия могут очень быстро вырастать из сверхтекучей материи. Это идеальный материал для изучения фундаментальных свойств таких кристаллов, поскольку они образуются очень и очень быстро" - так прокомментировал результаты работы ведущий автор исследования профессор Номура Рюдзи. Теперь, когда физикам наконец-то удалось вырастить идеальный кристалл твердого гелия, можно будет попробовать проверить его на сверхтекучесть.

Кстати, американские ученые, обнаружившие это свойство в 2004 году, в ответ на критику работы указывали, что у их оппонентов ничего не получилось из-за того, что кристаллы, с которыми те работали, были деформированы. Сейчас же японские исследователи смогут перепроверить результаты своих коллег, используя уже абсолютно нормальный кристалл, выращенный в условиях невесомости…