Биофизик Новосибирского государственного университета Максим Юркин занимается развитием метода дискретных диполей. 

На его основе учёный разработал универсальную компьютерную программу ADDA, одним из приложений которой является моделирование светорассеяния биологическими клетками (в частности, клетками крови человека и бактериями). Программа значительно превосходит по быстродействию и другим параметрам зарубежные аналоги. Наработки учёного НГУ применяются коллегами со всего мира для исследования и диагностики различных объектов: межзвёздная пыль, аэрозоли и град в атмосфере, неоднородные покрытия на бумаге, металлические наночастицы и многое другое.


Максим Юркин — кандидат физико-математических наук, преподаватель кафедры биомедицинской физики физического факультета НГУ и старший научный сотрудник лаборатории цитометрии и биокинетики Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского (ИХКГ) СО РАН.

О своих исследованиях Максим Юркин рассказал пресс-службе университета:

— В 2004 году я начал учиться в совместной аспирантуре университета Амстердама и ИХКГ. В Голландии я занимался разработкой метода дискретных диполей (метод расчета рассеяния света произвольными частицами, любой формы и структуры), который применяется в разных областях: от астрофизики и исследований атмосферы до определения эффективности пигментов при производстве бумаги и моделирования светорассеяния металлическими наночастицами и биологическими клетками. А в Новосибирске применял этот метод для анализа измерений на сканирующем проточном цитометре. Тогда же начал писать программу и в 2006 году выпустил первую версию в открытый доступ. Сейчас с помощью ADDA люди сами считают то, что им нужно, я лишь могу подсказать, как это сделать. Но в большинстве случаев я узнаю об использовании программы, только когда эти результаты уже опубликованы.


Ещё в 90-е годы подобные изыскания проводил Брюс Дрейн (Bruce Draine) (Принстонский университет, США) с коллегами, которые пропагандировали использование метода дискретных диполей с помощью компьютерной программы DDSCAT. Сами они изучали межзвездную пыль: как она нагревается и ориентируется проходящим светом и как это влияет на свет, который доходит до Земли от далеких звезд. Однако разработка новосибирского учёного имеет ряд преимуществ, в том числе быстродействие — для стандартных задач ADDA в два раза быстрее.

— Те, кто когда-то использовал DDSCAT, могут легко перейти на ADDA. Моя программа консольная: всё сделано через командную строку (нет никакого графического интерфейса) и заточено под суперкомпьютеры. Это удобно для автоматизации большого объема вычислений. Если нужно посчитать тысячу частиц, пишется один скрипт, который просто подставляет нужные параметры, — объясняет Юркин. — Также в моей программе есть функции, которых нет у Дрейна. ADDA не ограничена объёмом памяти одного компьютера, что позволяет моделировать частицы практически неограниченного размера при наличии достаточно мощного кластера.

Сейчас программой пользуются около 50 ученых с разных концов Земли, которые по полученным результатам опубликовали около 200 научных статей (в том числе в журналах Nature Nanotechnology, ACS Nano и Nano Letters). Так, например, ученые из Лейдена (Голландия) использовали ADDA для интерпретации экспериментов по связыванию одиночных молекул с золотой наночастицей, что находится на пределе чувствительности современных методов. A финские астрофизики разрабатывали инновационное покрытие бумаги с необходимыми свойствами (определенный оттенок белого, чтобы не было бликов или наоборот). Они брали различные наночастицы в качестве компонентов такого покрытия и моделировали на суперкомпьютере, чтобы иметь представление, какой может получиться лист бумаги.

Другой пример: аспирант из Германии недавно защитил диссертацию по использованию метода дискретных диполей: он сделал модуль для использования графического процессора (подходят и обычные игровые видеокарты) и внедрил его в код ADDA. Он также участвовал в развитии ADDA для прямого моделирования оптических свойств частиц на плоской подложке. Эта конфигурация очень распространена для наночастиц, но раньше подложку либо вообще игнорировали, либо учитывали приближенно. Данное продвижение опубликовано в Journal of Physical Chemistry C​.


— У нас в лаборатории активно занимаются кровью: эритроцитами, тромбоцитами, лимфоцитами и даже микрочастицами. Нам интересно работать с клеткой, особенно если можно воздействовать на её морфологию и увидеть изменения. Но даже просто определить трехмерную форму одиночной клетки – это далеко нетривиальная задача. Возьмем, например, эритроцит – он имеет форму двояковогнутого диска, для описания которого необходимы минимум три характеристики. Для решения обратной задачи, то есть определения этих характеристик плюс концентрации гемоглобина, нам пришлось создать базу данных оптических свойств 250 000 эритроцитов. Вот тут и пригодились возможности ADDA и мощности вычислительного кластера НГУ.

Также ведутся работы по бактериям. Например, палочковидные бактерии можно измерить с помощью цитометра, потом добавить антибиотик и через час опять посмотреть, какого размера они стали. Если сдвинулось распределение по размеру — они растут, значит, что они устойчивы к антибиотикам, — объяснил Максим Юркин. — Сейчас это очень актуальная проблема в медицине, и можно создать хороший экспресс-метод на устойчивость к таким лекарственным средствам.

Кроме того, тот же подход потенциально может помочь в определении качества молока и молочных продуктов.

— Мы поштучно измеряем микроскопические жировые частицы молока, смотрим — у части показатель преломления как у молочного жира, а у части — как у пальмового масла. Значит, при производстве этого продукта использовали эмульсию пальмового масла, чтобы сэкономить на молоке. Мы сейчас работаем над увеличением точности определения показателя преломления, чтобы надежно разделять молочный жир и заменители.

Помимо множества практических применений, ADDA способствует и фундаментальному развитию самой оптики. Речь идет о сложных неоднородных средах (планетарные реголиты, облака), для моделирования оптических свойств которых используются феноменологические подходы, такие как уравнение радиационного переноса. Сама применимость этих подходов в каждом конкретном случае вызывает вопросы, что делает невозможным построение по-настоящему предсказательных моделей. Лишь в последнее время использование ADDA в комбинации с другими методами заложило основы новой области науки, связанной со строгим (то есть с контролируемой точностью) решением этой задачи. Обзор этого развития Максим Юркин с коллегами опубликовали в высокорейтинговом журнале Physics Reports.

Марина Москаленко

Источники

Биофизик НГУ разработал компьютерную программу для оптических исследований межзвёздной пыли, наночастиц и клеток крови
НГУ (nsu.ru), 20/05/2016
Новосибирский ученый создал программу для поиска растительных жиров в молочной продукции
Новости России (news-russia.info), 21/05/2016
Новосибирские ученые придумали, как находить в молоке пальмовое масло
Аргументы и Факты (nsk.aif.ru), 20/05/2016
Новосибирский биофизик научился находить в молоке пальмовое масло
Официальный сайт г. Новосибирск (nsknews.info), 20/05/2016
Новосибирский ученый придумал, как находить пальмовое масло в молоке
Kp.ru, 20/05/2016
Новосибирский ученый создал программу для поиска пальмового масла в молоке
Новосибирский городской сайт (ngs.ru), 20/05/2016
Создана программа для исследования межзвездной пыли, наночастиц и клеток крови
Роснаука (rosnauka.ru), 20/05/2016
Сибирский ученый нашел способ выявления пальмового масла в молоке
Российская газета (rg.ru), 20/05/2016
Ученый из Новосибирска понял, как находить пальмовое масло в молоке
Svopi.ru, 20/05/2016
Ученый из Новосибирска научился находить пальмовое масло в молоке
RuNews24 (runews24.ru), 21/05/2016
Разработанная в Новосибирске программа даст возможность определить стойкость бактерий к лекарствам
Krasnews.com, 21/05/2016
Разработка новосибирского ученого поможет в борьбе с молочным фальсификатом
Агро-Инвестор (agro-investor.ru), 20/05/2016

Похожие новости

  • 16/12/2020

    Новосибирские ученые первыми в мире получили данные о механизме прохождения ценных промышленных газов через перспективный пористый материал ZIF-8

    ​​Ученые из лаборатории структуры и функциональных свойств молекулярных систем НГУ, сотрудники Института катализа СО РАН Даниил Колоколов, Александр Художитков и Александр Степанов совместно с другими исследователями провели работу по экспериментальному измерению диффузии легких углеводородов.
    940
  • 06/02/2020

    Новосибирские ученые опубликовали единый обзор расчетных методов исследования фазовых переходов органических веществ при высоких давлениях

    ​Исследователи лаборатории физико-химических основ фармацевтических материалов Факультета естественных наук НГУ и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН составили единый обзор существующих расчетных методов для исследования фазовых переходов органических веществ при высоких давлениях.
    932
  • 30/08/2019

    Петр Корусенко: наша команда изучает наноматериалы с применением метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии

    ​Ландау, Сахаров, Капица, Курчатов – эти имена русских физиков известны не только в России, их исследования признаны во всем мире. В российские времена эта наука развивается не так бурно, однако нам и сейчас есть чем гордиться.
    1497
  • 09/04/2019

    Сибирские ученые оптимизируют работу электронных дисплеев органическими полупроводниками

    ​Ученые Новосибирского государственного университета (НГУ) займутся исследованием свойств органических полупроводников (материалов, используемых в электронике), чтобы повысить эффективность используемых сейчас электронных дисплеев, сообщил ТАСС руководитель лаборатории органической оптоэлектроники НГУ Евгений Мостович.
    2288
  • 20/02/2019

    Новосибирские ученые исследовали воздействие мощного терагерцового излучения на мышечные ткани

    ​Ученые Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН (ИХКГ СО РАН) и Новосибирского государственного медицинского университета совместно с коллегами из Института ядерной физики им.
    1996
  • 27/02/2020

    Новосибирские ученые обнаружили первый случай сохранения пластичности кристаллов органических веществ при экстремально низких температурах

    ​Ученые лаборатории физико-химических основ фармацевтических материалов Факультета естественных наук НГУ и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН экспериментально предсказали и показали пластичность кристаллов кислого малеата L-лейциния, сохранявшуюся при температуре –196 C°.
    1377
  • 10/02/2021

    Статья новосибирских учёных вошла в выпуск Laser and Photonics Reviews

    В феврале 2021 года ученые из НГУ опубликовали в журнале Laser and Photonics Reviews обзор, посвященный характеризации одиночных частиц с использованием методов на основе светорассеяния. Работа охватывает обширную область исследования самых разных микрочастиц, начиная от атмосферной пыли и заканчивая клетками крови, а ее задача — объединить разрозненные наработки различных групп по всему миру.
    536
  • 29/03/2018

    Новосибирские ученые разработали уникальный метод изучения химических реакций в кристаллах

    ​В журнале Royal Society of Chemistry, Chemical Science вышла статья сотрудников и преподавателей кафедры химии твердого тела НГУ и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, посвященная использованию количественных прецизионных измерений изгиба кристалла в ходе фотопревращения при различных температурах для определения кинетических параметров превращения: энергии активации, константы скорости, коэффициента обратной связи и других.
    1982
  • 09/07/2021

    Год науки и технологий/Наука и университеты: Специализированные учебные научные центры погружают детей в прикладную науку

     В Год науки и технологий Правительство РФ внесло на рассмотрение Государственной Думы законопроект о финансировании специализированных учебных научных центров (СУНЦ) из федерального бюджета, а не через систему грантов, как это было раньше.
    1029
  • 29/04/2019

    Команда российских ученых выдвинула гипотезу о существовании жизни на Венере

    Ученые из Института космических исследований РАН, Института катализа имени Г. К. Борескова СО РАН и НГУ выдвинули гипотезу о существовании жизни на Венере. К таким выводам исследователей привела новая обработка панорамных изображений поверхности Венеры, полученных советскими аппаратами «Венера-9», «Венера-10», «Венера-13» и «Венера-14» в 1975—1982 годах.
    2596