Как Валентина Уточникова создала прибор для бесконтактного измерения температуры

Профессор МГУ и директор Центра передовых исследований НИУ ВШЭ Валентина Уточникова с командой ученых создала первый в мире прибор для бесконтактного измерения температуры на основе люминесцентной термометрии. Этот метод приходит на помощь, когда классическим термометром воспользоваться нельзя — например, во время операций лазерной хирургии или при исследованиях в космосе. Валентина вошла в шорт-лист премии Forbes Woman Mercury Awards в специальной номинации «За открытия или достижения в науке и технологиях». Ученая рассказала Forbes Woman, как работает ее прибор, почему за люминесцентную термометрию в будущем могут дать Нобелевскую премию и какие ограничения все еще преодолевают женщины в науке

— Как вы пришли в науку? До сих пор STEM-дисциплины считаются мужскими — женщин в этой сфере около 30%. Был ли у вас пример женщины в химии?

— Ролевой модели у меня не было. Мама у меня музыкант, но во многом именно благодаря ей я и пришла в науку. В 1996 году она и бабушка продали квартиру в Уфе, мы собрали вещи и уехали в Подмосковье — там я пошла в пятый класс. На вполне закономерный вопрос «Зачем?» у мамы был четкий ответ: «Валя должна учиться в МГУ». Мои способности к математике проявились еще в начальных классах: некоторые задачки, с которыми никто не мог справиться, мне удавалось решить. Мама возила меня на всевозможные олимпиады, хотя ради этого надо было очень рано вставать и тратить по два часа на дорогу.

В девятом классе я перешла в новую школу, где по химии у меня выходила двойка — в прошлой этого предмета не было. Чтобы избежать двойки, мне надо было сдать экзамен по химии. В четверг вечером после уроков я разыскала свою прежнюю учительницу биологии, пришла к ней домой и сказала: «Мне нужны учебники по химии». За выходные освоила весь курс, а в понедельник сдала предмет на пятерку. После этого мне стало интересно, чего еще я могу добиться в химии. В итоге в 11 классе я уже заменяла учителя во время ее больничного, а после школы поступила в МГУ на факультет наук о материалах.  

При этом после восьмого класса я собиралась поступать в Гнесинку (Российская академия музыки имени Гнесиных. — Forbes Woman) — до сих пор шучу, что просто не дошла до нее немножко: школа находилась на той же улице. 

— Чувствовали ли вы себя как-то особенно, будучи девочкой на математических олимпиадах?

— Тогда у меня не было ощущения, что я занимаюсь математикой в окружении одних мальчиков. Это сейчас я смотрю на фото выпускников первого потока Научно-образовательного центра Стекловки (Математический институт им. В. А. Стеклова РАН. — Forbes Woman), где я училась параллельно с МГУ, и вижу себя в окружении мальчиков и преподавателей-мужчин. Даже со стен смотрят исключительно портреты ученых-мужчин.

Женщин в науке действительно меньше, чем мужчин, хотя в России ситуация [с женщинами-учеными] немного лучше, чем в мире в целом. Насколько я понимаю, это во многом связано с советским прошлым: в СССР везде не хватало рабочих рук, поэтому во многих сферах профессиональные возможности не так сильно зависели от гендера. Сейчас тоже есть положительная динамика: если посмотреть на мехмат (Механико-математический факультет МГУ. — Forbes Woman), девушек там уже чуть ли не половина, а когда я слушала спецкурсы на этом факультете, меня все преподаватели знали по имени, потому что человек по имени Валентина там мог быть ровно один. 

— Ваша команда первой в мире создала люминесцентный термометр. Расскажите, что это и как работает?

— Когда говоришь психически здоровому человеку, что мы измеряем температуру по люминесценции, у него возникает ровно два вопроса: как и зачем? То, что люминесцентные свойства зависят от температуры, было известно давно. Но как это можно использовать?

Например, вы конструируете авиадвигатели, и вам нужно понимать, до каких температур в режиме работы разогревается вращающаяся лопасть. Во многих задачах наши прямые конкуренты — инфракрасные датчики, но у них точность измерения сильно зависит от свойств поверхности, а в условиях работающего двигателя дополнительную погрешность может вносить тепловое излучение окружающих деталей и горячих газов. Люминесценция решает эти проблемы: поверхность предмета, температуру которого надо измерить, покрывают тончайшим слоем люминофора (вещества, способного излучать видимый свет после поглощения энергии, например ультрафиолетового излучения. — Forbes Woman) и облучают ультрафиолетом, чтобы вызвать свечение. Цвет и другие характеристики люминесценции зависят от температуры: измеряя их, можно определить температуру или даже получить карту ее распределения. 

Одно из главных преимуществ люминесцентной термометрии — высокая точность. Недавно нам звонили из Кулаковского центра (Национальный медицинский исследовательский центр акушерства, гинекологии и перинатологии имени академика В. И. Кулакова. — Forbes Woman) с интересной задачей. Во время операции хирургу бывает необходимо отличить вену от артерии. Внешне они могут быть очень похожи, и для начинающего хирурга это может стать серьезной проблемой. Но температура крови в них немного различается, иногда менее чем на градус, и возможность различать сосуды по температуре была бы очень полезна. Люминесцентная термометрия потенциально позволяет проводить такие измерения с необходимой точностью. Мы ведем переговоры по этой разработке.

Еще одно преимущество метода — возможность работать в условиях сильных электромагнитных помех, а при использовании специально подобранных люминофоров — и повышенной радиации. Это особенно важно для космических исследований. Радиационная стойкость открывает возможности и для применения на атомных электростанциях, при этом расстояние между местом измерения и человеком, который получает данные о температуре, может составлять километры. Передавать оптический сигнал на такие расстояния позволяет сравнительно недорогое оптоволокно, которое мы используем в наших разработках.

— Как вы пришли именно к люминесцентной термометрии?

— Можно сказать, что случайно. С первого курса я занималась люминесценцией лантаноидов (семейство редкоземельных металлов. — Forbes Woman). А второй год аспирантуры провела в Польше, где профессор пригласил меня в свой международный проект, познакомил с лучшими специалистами мира в сфере люминесценции, предоставив свободу действий и все необходимые приборы. Я работала там с одним замечательным молодым ученым, который тоже стал ведущим мировым экспертом в области люминесцентной термометрии. Помню, как мы крепили образцы жвачкой к пачке сигарет, потому что у установки за миллионы евро не оказалось нужного держателя. И такое в науке бывает.

— В каких еще сферах можно применить ваш термометр? 

— Мы планируем работать с объектами культурного наследия. Для сохранения исторических зданий важно поддерживать определенный температурный режим, чтобы избежать разрушения. В будущем у сторожа будет стоять коробочка, из которой по разным комнатам расходятся оптоволоконные кабели с люминофорами на кончиках. Такая система позволяет постоянно контролировать температуру во всем здании. При этом оптоволокно стоит недорого, как и сам люминофор, который наносится тончайшим слоем и не требует регулярного обновления.

Был у нас и интересный запрос из области лазерной хирургии. При таких операциях сосуды запаивают лазером, но вместе с ними могут нагреваться и окружающие ткани, что приводит к нежелательным ожогам. Конечно, эти повреждения потом лечат, но гораздо лучше предотвратить их появление. Наш термометр позволяет врачу контролировать температуру непосредственно во время операции и не допускать чрезмерного нагрева тканей.

Причем для внедрения такой технологии не нужно принципиально менять хирургическое оборудование. В лазерной хирургии уже используются оптические системы и оптоволокно, поэтому наш датчик можно интегрировать в существующую аппаратуру. На кончик оптоволокна мы наносим тонкий слой прозрачного люминофора, а в систему добавляем еще один лазер, излучение которого по тому же волокну возбуждает люминесценцию. По характеристикам этого свечения определяется температура непосредственно в зоне операции, а результат выводится на небольшой экран. На разработку такого решения для лазерной хирургии ушло чуть больше года.

— Это все прототипы или уже есть применяемые работающие приборы?

— Ближе всего к применению термометр для лазерной хирургии — его сейчас его испытывают на людях. Все остальные находятся на разных этапах разработки. 

— Выпуск таких приборов будет массовой историей или, скорее, разработкой под конкретные нужды отдельных компаний? 

— Я думаю, со временем они станут массовыми. Более того, я уверена, что за люминесцентную термометрию дадут Нобелевскую премию — но произойдет это только тогда, когда такие термометры будут стоять на полке в обычной «Пятерочке». Вы сейчас кулинарным термометром тыкаете мясо, а лет через десять он будет оптоволоконным. Но для этого нужно, чтобы технология стала общеизвестной и доступной.

Думаю, сначала это будет нишевый продукт в областях, где люминесцентная термометрия априори незаменима — например, в хирургии и в космосе. Но постепенно она станет привычной технологией. На наших глазах нечто подобное произошло со светодиодным освещением. Первые светодиодные лампочки продавали за бешеные деньги, а сегодня их можно купить в любом магазине. Массовость сделала их дешевыми и доступными.

— В нашей премии Forbes Woman Mercury Awards женщины-ученые сами подают заявки, в которых рассказывают про свои достижения. Нужно ли ученому уметь говорить о себе и продвигать свои исследования — или хороший результат говорит сам за себя и полезная разработка станет популярной и без продвижения?

— Я считаю, что популяризация науки необходима. Можно изобрести что-то выдающееся, но какой в этом смысл, если люди, для которых это изобретено, о разработке даже не узнают? Поэтому науке нужен маркетинг.

Не менее важно формировать адекватное представление о самих ученых. Когда я общаюсь с людьми за пределами научного сообщества, они часто удивляются: «А что, ученые действительно так выглядят?» До сих пор существует стереотип, что ученые — странные, но мы вообще-то нормальные люди. 

— Вы упомянули, что поначалу не замечали, что вы единственная девушка среди математиков. Когда вы поняли, что женщин в науке все же меньше? И из-за чего их меньше?

— В определенный момент женщины рожают, и для многих в этот момент карьера ученого заканчивается. Думаю, поэтому во многом женщин среди докторов наук меньше, чем мужчин. Иногда это осознанный выбор: кто-то находит себя в материнстве, потому что ты берешь ребенка на руки и понимаешь, что никакая термометрия с этим не сравнится. Многие женщины в итоге все же защищают диссертации и добиваются серьезных научных успехов, но нередко позже мужчин, потому что им приходится делать перерыв в карьере, чтобы родить и вырастить детей.

Получается замкнутый круг: чем меньше женщин остается в науке, тем непривычнее воспринимается их присутствие. Это создает предвзятость, а значит, говорить о настоящем равенстве пока не приходится.

Моя карьера с рождением детей не закончилась, но я почувствовала, как тяжело совмещать работу и материнство. В декрет я не уходила, мне помогала мама. Но я уверена, что если бы в нашей семье рожать и растить детей надо было не мне, то я бы гораздо дальше продвинулась в научной карьере.

— Обращаются ли к вам начинающие женщины-ученые как к наставнице? 

— Специально — нет, но и такие примеры есть. Например, моя первая аспирантка писала диссертацию во время беременности, а потом защищалась с ребенком на руках. Я тогда ей сказала: «Когда родишь, больше ничего писать не сможешь. Если хочешь защититься, давай писать диссертацию сейчас». Она приезжала ко мне беременная, и мы вместе работали над текстом: я в тот момент уже родила и с маленьким ребенком никуда ездить не могла.

— Нобелевскую премию, наверное, хотят получить все ученые. Вы хотели бы? 

— Принято говорить, что мы работаем не ради этого, но сказать, что не хотелось бы, будет враньем. Еще когда 15 лет назад я была аспиранткой, мы сидели с другом на крыше в Стокгольме и планировали многоходовочку. Он собирался после постдокторантуры уехать в Швецию и получить там профессорскую позицию, чтобы иметь право номинировать кандидата на Нобелевскую премию. План был такой: он номинирует меня, я получаю премию, и я дальше как нобелевский лауреат уже номинирую его. 

— Он стал шведским профессором?

— Пока он стал профессором в Нидерландах, но мы работаем над реализацией плана. Я, со своей стороны, работаю над тем, чтобы меня было за что номинировать. 

— Какая у вас сейчас главная цель в науке?

— Мне нравится создавать то, что может принести пользу людям. Но за каждой такой разработкой стоит огромная фундаментальная работа. Любой наш люминесцентный термометр, который выглядит как пластик и железки, никогда не заработает без специально созданной молекулы. Чтобы ее разработать, необходимо глубоко разбираться не только в химии, но и в физике и математике. Наш прибор — это айсберг, а конкретный люминофор в его составе — даже не вершина айсберга, а маленькая снежинка, которая упала на эту вершину. И мне хочется, чтобы за этими исследованиями последовали новые разработки, которые действительно будут применяться в жизни.

Когда у меня брали первое в жизни интервью, я сказала, что мечтаю увидеть, как результаты моей научной работы превращаются в технологии, которыми пользуются люди. Мне хочется, чтобы однажды вы пришли в усадьбу «Царицыно» и увидели наши оптоволоконные датчики, которые помогают сохранить ее для потомков. И чтобы через десять лет вы позвонили мне и спросили, а не люминесцентный ли термометр вы купили, например, для мяса? А я бы сказала: «Да, люминесцентный».

Автор: Анна Воробьева