Новосибирский терагерцевый лазер «нашинковал мышцы как капусту»

22.02.2019 в 13:50, просмотров: 3955
Новосибирский терагерцевый лазер «нашинковал мышцы как капусту»
Итог эксперимента под электронным микроскопом: ранее непрерывная мышца нарезана тонкими кусочками. Каждой белой линии разреза соответствует 1 импульс лазера. Каждую секунду происходят миллионы таких импульсов. Источник изображения: пресс-служба ИЯФ СО РАН. Здесь и далее фото Александра Козлова.

Эксперимент с ТГц-излучением дал тревожные результаты.

Новосибирские ученые из Института химической кинетики и горения СО РАН (ИХКГ) и Новосибирского госмедуниверситета совместно с коллегами из Института ядерной физики СО РАН (ИЯФ) провели первые в мире опыты по облучению живой ткани высокомощным терагерцевым (ТГц) излучением.

ТГц – это длинноволновое электромагнитное излучение, спектр которого расположен между инфракрасным и СВЧ-спектрами. Получить ТГц-луч можно при помощи мощного лазера. В научной работе его используют, например, на перспективном проекте по разработке магнитов размером с молекулу.

Как сообщает пресс-служба ИЯФ, науке хорошо известно, как на живую ткань действуют коротковолновые лазеры – их уже давно используют в медицине. Однако нет почти никаких данных о том, чем для живых организмов чревато воздействие длинноволнового терагерцевого излучения.

Ученые решили узнать о ТГц-лучах больше. Для этого использовали мощности Новосибирского лазера на свободных электронах (ЛСЭ, входит в структуру ИЯФ), которым облучили подопытные животные ткани.

– В качестве объекта исследования мы выбрали мышечную ткань: наряду с нервной, это самая структурированная ткань в организме, которую к тому же просто получить, – рассказал врач-рентгенолог первой квалификационной категории Евгений Зеленцов. – Мы использовали скелетные мышцы коровы и крысы: образцы мышц размером 5 кубических сантиметров облучали на установке и затем фиксировали в растворе  спирта чтобы изучить при помощи оптического и электронного микроскопа.

Как рассказал ученый, образцы на расстоянии 1-4 см от точки фокуса луча получили ни на что не похожие повреждения – терагерцевое излучение разрезало волокна мышц на фрагменты, которые  выстроились в складчатую структуру, подобную поверхности шифера. Так назвали и сам феномен – «эффект шифера».

Образец ТГц-облученной ткани под оптическим микроскопом. В норме цельные, здесь мышцы выглядят как бахрома, видно смещение кусочков волокон.

Ученые повторили эксперимент на медицинском лазере – и «эффекта шифера» не возникло. Это доказало, что подобные нарушения волокон провоцирует только ТГц-излучение.

– Можно предположить, что периодические разрывы мышечных волокон – следствие того, что излучение нашего лазера импульсное: импульсы мощностью до 1 МВт, как молотки по наковальне, бьют по образцу с частотой 5,6 МГц –  5,6 млн ударов в секунду, – рассказывает кандидат химических наук, старший научный сотрудник ИХКГ СО РАН Александр Козлов. – Получается, что лазер шинкует мышцы, как капусту, на мелкие кусочки. Межклеточная жидкость или кровь превращают терагерцевые волны в ультразвуковые, которые могут проникать гораздо глубже.

Ученые также выяснили, что после воздействия ТГц-лазера на поверхности образца ткани остаются  термические ожоги, но – небольшие. Основной урон наносит ультразвуковая волна, которая уходит далеко вглубь живой материи, из-за чего «эффект шифера» поражает весь образец целиком.

Мышцы после облучения медицинским лазером, вид в оптический микроскоп. Волокна непрерывны, но завиваются в спирали.

Что такое ЛСЭ?

Новосибирский ЛСЭ – это масштабная установка меганаучного класса, построенная на базе специального ускорителя-рекуператора (дважды проводит поток частиц через ускоряющую структуру).

Лазер терагерцового диапазона – это только первая очередь установки, сообщает прессс-служба ИЯФ СО РАН. Его запустили в 2003 году, сегодня он работает на энергии 12 МэВ и длине волн от 220 до 90 микрон.

Второй лазер запустиили в 2009 году. Он использует электронные потоки с энергией 22 МэВ, а его излучение находится уже в инфракрасном диапазоне (длина волн от 80 до 35 микрон). Третий лазер, запущенный в 2015 году, работает на энергии 40 МэВ в диапазоне от 5 до 15 микрон.

– Излучение всех трех лазеров выводится в один оптический канал, что дает возможность использовать его на одних и тех же станциях, но наибольшей популярностью в настоящее время пользуется именно терагерцевый лазер, – рассказывает кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН Олег Шевченко. – У каждого лазера мы можем менять длину волны и мощность излучения, в зависимости от пожелания пользователей. Наши пользователи – это, прежде всего, физики, химики и биологи. На постоянной основе у нас работают научные группы из ИХКГ СО РАН и ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН».

Кстати: Согласно русскоязычной Википедии, Новосибирский лазер на свободных электронах – это самый мощный источник терагерцевого излучения в мире. По некоторым данным, изначальной задачей эксперимента было выяснить, насколько людям безопасно попадать под действие столь мощного ТГц-излучателя.

Ранее мы сообщали, что новосибирские ученые улучшили технологию поиска темной материи. Также в октябре 2018 года два института СО РАН заявили что оксид марганца может стать веществом, которое снизит вред лучевой терапии при раке.