Текст книги "Изобретено в СССР"

Общий принцип ультразвукового микроскопа, представленного Соколовым в 1948 году, заключался в следующем. Пьезоэлектрическая кварцевая пластинка генерирует пучок ультразвуковых волн, которые отражаются от исследуемого предмета и через акустическую линзу попадают на вторую, приёмную пьезоэлектрическую пластинку. Последняя представляет собой дно катодно-лучевой трубки. Под действием ультразвука пластинка деформируется, и на внутренней её стороне возникают электрические заряды, а их распределение повторяет «звуковое изображение». Это изображение сканируется электронным катодным лучом, а упомянутые заряды влияют на испускание вторичных электронов. Выбитые катодными лучами электроны улавливаются анодом, ток с которого усиливается и передаётся на модуляционное устройство второй катодной трубки, работающей своего рода кинескопом и выводящей изображение на экран.

Коэффициент увеличения акустического микроскопа Соколова напрямую зависел от отношения линейных размеров катодных трубок, а разрешающая способность изображения, как уже говорилось ранее, – от длины волны: чем она меньше, тем более качественное изображение можно получить.

Тут крылась проблема. Ни в 1930-е, ни в 1940-е годы не было технологий, позволявших генерировать акустические волны частот настолько высоких, чтобы акустический микроскоп имел смысл. Частот, генерируемых пьезоэлектрической пластинкой, было достаточно для обнаружения внутренних дефектов в стали, но катастрофически не хватало для микроскопии. Построенные Соколовым модели имели увеличение в 10–15 раз – и это был предел. С проблемой генерации высокочастотного ультразвука Соколов бился вплоть до самой своей смерти, последовавшей в 1957 году. Он опубликовал множество других исследований, в частности по дифракции света, в 1952 году основал электрофизический факультет ЛЭТИ, стал членом-корреспондентом АН СССР, но своё главное изобретение так и не довёл до практического применения.

Тем не менее результаты исследований и публикации Сергея Соколова были доступны множеству учёных по всему миру, и потому его знамя подхватили другие. Вскоре после смерти Соколова, в том же 1957 году, вышла работа Константина Баранского «Возбуждение в кварце колебаний гиперзвуковых частот», давшая начало новым технологиям получения высокочастотного ультразвука. Баранский стал пионером в области генерации и приёма гиперзвука (частоты до 1 гигагерца), и кстати, на момент написания этой главы он ещё здравствует, хотя ему исполнилось уже 97 (!) лет. До 2016 года Баранский работал профессором кафедры полимеров и кристаллов физфака МГУ. Аналогичные работы вели также немецкие и американские учёные.

В 1959 году Американцы Флойд Данн и Уильям Фрай опубликовали в «Журнале Американского акустического общества» статью «Ультразвуковой абсорбционный микроскоп» (Ultrasonic Absorption Microscope), в которой описали опыты, проведённые ими с использованием акустического микроскопа: именно их модель считается первой в мире функциональной системой этого типа, хотя по общему принципу они недалеко ушли от опытных конструкций Соколова. Разработкой акустических микроскопов занималось множество научных групп вплоть до середины 1970-х, а в 1975 году на рынке научных приборов появилась первая серийная модель – сканирующий лазерный фотоакустический микроскоп (SLAM) компании Sonoscan, Inc.

Сегодня производится три основных типа акустических микроскопов: сканирующие (SAM – это, собственно, наследник соколовской схемы), конфокальные сканирующие (CSAM) и микроскопы типа C-SAM, отличающиеся схемой акустических линз. Самое распространённое их применение – это качественные исследования различных электронных компонентов, композитов, пластиков, металлокерамических изделий, а также медицина, в частности исследование костей. За всем этим стоит блестящий советский физик Сергей Соколов и его безграничная любовь к такой, казалось бы, узкой и специфической сфере – электроакустике.

Глава 15. Костная ткань

Конечно, я искренне надеюсь, что вам никогда не понадобится аппарат Илизарова. Наверное, так же думает каждый хороший инженер или врач, патентующий новое медицинское устройство. Это странно – изобретать вещи и искренне желать, чтобы они не нашли применения, но такова особенность медицинских технологий.

Но даже если вам всегда везло, вы, скорее всего, знаете, как выглядит этот прибор: несколько окружающих ногу или руку колец, из которых идут спицы, протыкающие кожу и исчезающие в ткани тела. На первый взгляд кажется, это что-то из области киборгизации – и, думая так, мы находимся не слишком далеко от истины.

В случае сложного перелома, когда кость раздроблена на несколько частей, консервативное лечение чаще всего невозможно. Сложить осколки для правильного срастания недостаточно, тем более если речь идёт о подвижных зонах тела, которые нельзя зафиксировать с помощью, скажем, гипса или полимерной повязки.

Здесь начинается оперативное лечение, то есть вмешательство, при котором врач складывает «пазл» из осколков, а затем фиксирует каким-либо способом – эта процедура называется репозицией. У фиксации (по-научному говоря, остеосинтеза) две задачи: обеспечить правильное направление оси пострадавшего сегмента и верное расположение его отломков. Фиксаторами могут быть относительно простые элементы – шурупы, штыри, пластинки, но иногда приходится применять более сложные методы. В зависимости от того, что используется в качестве фиксатора, как он вводится в организм и как работает, остеосинтез делится на несколько разновидностей, перечислением которых я вас мучить не буду: вам эти узкоспециализированные медицинские термины всё равно ничего не скажут.

Нас интересует одна-единственная его разновидность – наружный чрескостный компрессионно-дистракционный остеосинтез, также известный в виде аббревиатуры ЧКДО. Давайте расшифруем его название. «Наружным» он называется, поскольку элементы фиксирующей структуры располагаются снаружи тела, в противоположность этому, остеосинтез с помощью различных пластинок и шурупов, навсегда остающихся внутри, называется погружным. Слово «чрескостный» означает, что при ЧКДО фиксаторы вводят перпендикулярно костной трубке (бывает, например, внутрикостный остеосинтез, когда фиксаторы внедряют прямо в канал, или накостный, когда их привинчивают поверх). Наконец, страшный термин «компрессионно-дистракционный» расшифровывается проще всего. Компрессия – это сжатие, дистракция – растяжение, то есть подобный фиксатор может сжимать или растягивать кость, придавая ей правильную конфигурацию.

Так вот, формально аппарат Илизарова – устройство для ЧКДО. Но на самом деле это целая совокупность методов, позволяющих управлять процессами, которые сопровождают формирование кости и окружающих её мягких тканей. Технология позволяет не столько сращивать расколотые кости, сколько формировать и видоизменять их. Например, с её помощью можно дорастить утраченные элементы кости, исправить неверно сросшиеся суставы и деформации, регулировать форму и толщину костей. Метод Илизарова, помимо лечебной хирургии, широко используется в пластической хирургии для удлинения костей (до него технологий, позволяющих осуществить такой процесс, не было). Я бы назвал этот процесс игрой в бога костной ткани.

Аппарат Илизарова при переломе используется следующим образом. Каждый фрагмент раздробленной кости просверливается дрелью и фиксируется двумя размещёнными под углом спицами, закреплёнными в кольце или полукольце, которое находится снаружи конечности. Если кольца сдвигать, возникает компрессия, раздвигать – дистракция. Поскольку устройство имеет много степеней свободы, кость можно сложить и зафиксировать буквально по кусочкам, причём регулировку нужно проводить каждый день. По мере срастания будет меняться сила сжатия спиц – и специалист (а порой и сам пациент) должен постоянно «подкручивать» аппарат, сохраняя позицию костей. Колец в аппарате обычно от трёх до шести, на каждое приходится по две-три спицы.

Процесс лечения довольно болезненный. Установка устройства производится под наркозом, а вот регулировка может длиться неделями, и конечность всё это время будет ныть. Места, где спицы входят в тело, гноятся, их нужно промывать, постоянно менять повязки, кроме того, в аппарате Илизарова довольно неудобно спать. Однако ходить можно чуть ли не с первых дней – аппарат жёстко фиксирует конечность и все отломки; более того, врачи советуют ходить без костылей, чтобы регенерирующая часть кости быстрее твердела.

Примерно по тому же методу проводят и удлинение конечностей. Сперва накладывают аппарат, затем рассекают кость, после чего проводят постепенную дистракцию, вынуждая кость нарастать. Скорость такого наращивания около 1 миллиметра в день, но со временем она возрастает, так что 3–5 сантиметров можно нарастить за 50–75 дней. Для пластической хирургии этот метод в целом экстремален, но при разной длине ног, особенно после аварий или травм, он незаменим. Таким же образом можно исправить форму или неверное сращение кости. Когда аппарат снимают, остаются небольшие точечные ранки, которые нередко заживают, не оставляя после себя шрамов.

Гавриил Илизаров родился в трудное время, в 1921 году, в местечке Беловеж неподалёку от Белостока (Польша). Интересно, что на тот момент местечко входило в состав Польской республики, потом стало частью СССР, затем вернулось к Польше. Отец, до того как перебраться в Беловеж, служил в Красной армии; семья жила бедно, при этом у Елизаровых было шестеро детей. Да, я не ошибся, написав фамилию через «Е»: отец Гавриила и все его братья и сёстры носили фамилию Елизаровы, и лишь старший сын оказался Илизаровым из-за ошибки в метрической записи.

В 1928 году семья переехала в Кусары – посёлок в Азербайджане, где родился и вырос отец. Абрам Елизаров происходил из относительно редкого субэтноса – горских евреев, проживавших на Кавказе, в основном в Дагестане (сегодня большинство потомков горских евреев живёт, как легко догадаться, в Израиле). Кусары, они же Хусары, они же Гусар, расположены ближе к Дербенту, чем к азербайджанским городам, и в начале XIX века были даже некоторое время столицей Дагестана.

Там Илизаров закончил школу-восьмилетку, а затем уехал в Буйнакск, где учился на медрабфаке – это нечто среднее между ПТУ и вузом. С 1939 по 1944 год Илизаров обучался в Крымском медицинском институте (ныне – Медицинская академия имени С. И. Георгиевского) в Симферополе и в эвакуации. Поражает факт: в годы войны институт подготовил 850 врачей, несмотря на нехватку материалов, отсутствие денег, сложнейший переезд на другой конец страны. Все студенты подрабатывали, чтобы как-то прожить; Илизаров с товарищем шили летнюю обувь. Многие выпускники военных лет отправились на фронт. Илизаров стал врачом районной больницы села Половинное неподалёку от Кургана. В конце концов, тыл тоже нуждался во врачах. Потом его перевели в село Долговка (Косулинскую райбольницу), где молодой, едва за 20, доктор был сразу и терапевтом, и хирургом, и акушером-гинекологом и т. д.

Именно эта бешеная подготовка и привела Илизарова к изобретательству. Из-за нехватки жизненно важного оборудования врачи были вынуждены многие вещи собирать из подручных материалов. В 1947 году Илизаров впервые закрепил сломанную кость пациента с помощью компрессионно-дистракционного устройства собственной конструкции, ещё не того самого аппарата, но его далёкого предка. По крайней мере, в первых аппаратах Илизарова уже были спицы-фиксаторы, входящие в кость под прямым углом.

Годом позже Илизарова, благодаря его самоотверженной и успешной работе в селе, перевели в Курганскую областную больницу. Там к 1952 году, имея доступ к современным материалам и поддержку коллег, Илизаров довёл фиксационное устройство до практически современного вида. В 1952-м он впервые испытал его на пациентке, которая много лет ходила на костылях: аппарат мог не только фиксировать раздробленные кости, но изменять форму неправильно сросшихся. Двумя годами позже Илизаров получил первое авторское свидетельство.

Впрочем, путь аппарата Илизарова к всесоюзной, а позже к всемирной славе был непрост. До конца 1960-х, помимо самого изобретателя и буквально нескольких прогрессивных ортопедов, никто его устройство не использовал. Серийно аппараты не производились, немногочисленные существовавшие экземпляры были изготовлены под конкретные нужды. К изобретению (а Гавриил Илизаров получал в последующие годы и другие свидетельства) руководство относилось снисходительно, как к какой-то не очень интересной инициативе сельского доктора.

Но в 1968 году Илизарову повезло с пациентом.

Пациента звали Валерий Брумель, и он был звездой всесоюзного масштаба. На Олимпиаде в Токио 1964 года 22-летний Брумель взял золотую медаль в прыжках в высоту – лучший из советских прыгунов, вера и надежда сборной, он установил шесть мировых рекордов, трижды становился спортсменом года по версии ISK и появлялся на обложках советских и зарубежных изданий. Но в 1965-м молодой спортсмен попал в жуткую аварию: знакомая подвозила его на мотоцикле, не справилась с управлением и на скорости почти 100 километров в час задела ногой пассажира фонарный столб. Ногу собирали буквально по кусочкам, чудом удалось избежать ампутации. Собрали – но теперь одна нога была короче другой на 3,5 сантиметра, о продолжении карьеры не шло и речи. Брумель перенёс 30 операций, пытался снова тренироваться, но вплоть до попадания в руки к Илизарову толку от этого было немного.

Илизаров первым из врачей пообещал Брумелю не инвалидную коляску или костыли, а возвращение в спорт. И сдержал обещание. С помощью ЧКДО он выправил травмированную ногу, сравняв её со здоровой, и Брумель вернулся к спортивной жизни. Конечно, он так и не повторил своего прежнего рекорда в 228 сантиметров, но вполне прыгал на 209 сантиметров, а это очень хороший результат.

Они дружили много лет. Брумель, хотя и не стал снова звездой лёгкой атлетики, активно снимался в кино, ещё раз женился (первая жена ушла от него после аварии), попал в политический скандал с иностранной валютой, в общем, вёл полноценную жизнь. И, увлёкшись литературой, написал среди прочих пьесу «Доктор Назаров» с легко угадываемым главным персонажем.

Хотя до Брумеля Илизаров лечил не менее известного человека – Шостаковича, именно громкий и, что важно, безнадёжный случай Брумеля открыл его изобретению путь наверх. К Илизарову выстроилась очередь на несколько лет (!) вперёд, письма приходили со всего Советского Союза, а чуть позже, когда информация просочилась на Запад, и из-за рубежа. На Илизарова смотрели как на кудесника, способного спасти то, что спасти невозможно. В 1970 году появилась первая зарубежная публикация о его методе – её подготовил доктор Йоханнес Хеллингер из Медицинской академии Эрфурта (ГДР). А в 1980 году благодаря помощи и рекомендации знаменитого журналиста и путешественника Юрия Сенкевича к Илизарову в Курган приехал итальянский альпинист Карло Маури. Илизаров исправил Маури сложный перелом, и итальянец так впечатлился, что годом позже организовал приглашение Илизарова на международную конференцию в Белладжо. Илизаров прочёл там три лекции о своём методе и все три раза удостаивался десятиминутной овации. Италия стала первой страной за пределами железного занавеса, где активно внедрялся метод Илизарова; именно там начали серийно производить его аппараты, а компания Medicalplastic зарегистрировала бренд Ilizarov.

К 1989 году Илизаров стал мировой знаменитостью – он ездил на конференции в самые разные страны, проводил консультации; в Нью-Йорке был организован симпозиум только ради его выступления. Собрались врачи со всей Америки – более 300 человек.

А маленькая проблемная лаборатория, которую в 1967 году возглавил Илизаров, выросла в Курганский НИИ экспериментальной и клинической ортопедии и травматологии – сегодня это Российский научный центр «Восстановительная травматология и ортопедия» имени академика Г. А. Илизарова. Сам Илизаров получил множество советских и иностранных патентов, опубликовал более 600 научных работ и вылечил тысячи людей – собственными руками и руками своих последователей. Стоит отметить, впрочем, что вплоть до 1980-х многие врачи, даже прошедшие обучение у Илизарова, сталкивались с проблемами при использовании его аппарата: он действительно требует очень серьёзной квалификации хирурга.

Метод Илизарова и его аппарат и по сей день являются единственным средством лечения сложных переломов, а также удлинения и наращивания костей. Великий ортопед скончался в 1992 году, оставив после себя неизгладимый след.

Глава 16. Советский термояд

В главе 6 мы говорили только об одной разновидности ядерных реакций – реакциях деления ядра. Именно деление тяжёлых ядер под воздействием субатомных частиц используется в ядерном оружии и в атомных энергетических установках. Но существует не только деление тяжёлых ядер, но и обратный процесс – синтез, то есть образование нового, более тяжёлого ядра за счёт слияния двух или большего количества лёгких ядер.

Синтез ядер открыли примерно в то же время, что и расщепление. В 1930-е годы австралийский физик Марк Олифант работал в Кавендишской лаборатории в Кембридже – той самой, где Кокрофт и Уолтон проводили опыты по бомбардировке ядер лития высокоэнергетическими протонами (тут я снова отсылаю вас к главе 6). Самым известным открытием Олифанта в рамках этой работы было выделение трития – сверхтяжёлого радиоактивного изотопа водорода – T (или ³H). Но Олифант пошёл дальше.

В 1933-м американский физик Гилберт Льюис, впервые выделивший чистую тяжёлую воду – оксид дейтерия D₂O, прислал в Кавендишскую лабораторию несколько образцов нового вещества для дальнейших исследований. Ядра дейтерия, дейтроны D (²H), состоящие из одного протона и одного нейтрона, стали использовать в качестве бомбардирующих частиц в ускорителе, сконструированном под руководством Олифанта. Олифант обнаружил, что при столкновении дейтронов с ядрами трития (тритонами) или другими дейтронами высвобождается значительно больше энергии, чем могло бы получиться при сложении стартовых энергий частиц. Он сделал вывод, что столкновение освобождает энергию связи, затрачиваемую на поддержание стабильного состояния ядер. По сути, Олифант впервые в истории провёл термоядерную реакцию (столкновение дейтерия и трития приводит к образованию гелия-4, высвобождению одного нейтрона и 17,59 МэВ энергии). Он описал это явление и заодно предположил, что именно цепная термоядерная реакция поддерживает функционирование звёзд, и в частности Солнца. Впоследствии в ходе активных исследований в этой области теория Олифанта подтвердилась: протон-протонный цикл, определяющий превращение водорода в гелий внутри звёзд, в 1938 году объяснил американский астрофизик Ханс Бете.

Выброс большого количества энергии в первую очередь, конечно, интересовал военных. Так что направление исследований и в США, и в СССР довольно быстро сдвинулось в сторону термоядерных бомб (об этом можно прочитать в главе 39). Но параллельно велась работа и над управляемой термоядерной реакцией. Новая технология в теории могла решить мировую энергетическую проблему: никакие атомные электростанции не сравнятся по объёму высвобождаемой энергии с термоядерной реакцией. Но вот незадача: атомные электростанции появились уже в 1950-х, термоядерные бомбы – тоже. А на службу мирному делу термояд не поставлен до сих пор! Каждые несколько лет учёные предрекают, что управляемая термоядерная реакция будет проведена в ближайшее время, но воз и ныне там.

Тем не менее в этом направлении всё время делаются большие шаги. В частности, для исследования реакций термоядерного синтеза был разработан целый комплекс оборудования, позволяющего приблизиться к управляемой термоядерной реакции и в теории добиться её осуществления. Одним из важнейших элементов исследовательской системы являются специальные магнитные ловушки, способные удерживать высокотемпературную плазму, не позволяя ей контактировать с другими элементами реакции. Существует несколько типов таких ловушек, но два основных – токамаки и стеллараторы. Первые появились в Советском Союзе.

Во время реакции термоядерного синтеза более лёгкие ядра объединяются в более тяжёлые. Самопроизвольно такая реакция никогда не произойдёт, по крайней мере на Земле (внутри звёзд она возможна и даже обязательна), поскольку взаимодействие между ядрами определяется двумя противоборствующими силами.

Во-первых, это простая и понятная сила электростатического отталкивания: по знаменитому закону Кулона одноимённо заряженные тела, в том числе ядра, отталкиваются друг от друга.

Во-вторых, это так называемые ядерные силы – проявление сильного ядерного взаимодействия, одного из четырёх фундаментальных взаимодействий. Оно наблюдается только на очень малых расстояниях и отвечает за связь кварков в протонах и нейтронах, а также протонов и нейтронов в атомных ядрах – именно благодаря сильному взаимодействию ядра не разваливаются. Природа сильного взаимодействия обусловлена свойствами фундаментальных частиц – кварков, из которых формируются более крупные частицы, а также глюонов – переносчиков сильного взаимодействия. Но я не хочу и не буду вдаваться в физику сильных взаимодействий: она достаточно сложна и вряд ли тогда мои объяснения поместятся в одну главу, а для базового понимания сути термоядерных реакций достаточно уже приведённых сведений.

Так вот, на очень малых расстояниях, менее одного фемтометра (10^–15 метра), сильное взаимодействие начинает преобладать над силой электростатического отталкивания между атомами. Для понимания: это расстояние примерно в 100 000 раз меньше размеров атома, оно ближе к размерам атомного ядра. Минимальная энергия, которую нужно затратить частице, чтобы преодолеть кулоновское отталкивание, называется высотой кулоновского барьера или просто кулоновским барьером.

Для преодоления кулоновского барьера ядрам нужно сообщить значительную кинетическую энергию, например посредством разгона на ускорителях или нагрева. В последнем случае температура, требуемая для реакции, очень высока и достигает нескольких миллионов градусов.

Теперь об элементах. Вообще в реакции термоядерного синтеза с выделением энергии вступают любые лёгкие элементы вплоть до железа, нужно только создать достаточную температуру. В качестве примера можно привести звёзды, в ядрах которых происходит термоядерное горение водорода, гелия, углерода, кислорода, азота и т. д. Однако создавать соответствующие температуры и давления на протяжении достаточного времени под силу звёздам, но не человеку. Поэтому приходится выбирать из более или менее осуществимых вариантов, требующих не таких высоких температур. Есть несколько типов возможного топлива для управляемой термоядерной реакции. Самый распространённый вариант – это реакция дейтерия ²Н и трития ³Н (именно её провёл Олифант, и именно она используется в водородной бомбе). Когда ядра дейтерия и трития преодолевают кулоновский барьер и происходит их слияние, образуется новый элемент – гелий – и высокоэнергетический нейтрон, а сама реакция выглядит вот так:

²₁H + ³₁H → ⁴₂He + n + 17,589 МэВ

17,589 МэВ – выделяющаяся при реакции энергия. Есть и другие варианты термоядерного топлива, например дейтерий ²Н и ³Нe (гелий-3) или два ядра дейтерия (это называется монотопливом).

Как уже говорилось, температура и, соответственно, энергия преодоления кулоновского барьера очень высока, и она в любом случае значительно превышает температуру ионизации атомов топлива. Скажем, для дейтерия и трития энергия преодоления потенциального барьера составляет 100 000 эВ, а энергия ионизации их атомов – всего 13 эВ! Так что топливо в процессе реакции будет представлять собой облако ионизированного газа, то есть плазму.

А теперь представьте, что у нас есть облако высокотемпературной, нагретой до нескольких десятков миллионов градусов плазмы. Как вообще её контролировать? Как удерживать? Она расплавит или даже испарит любое вещество, из которого сделаны стенки сосуда, не говоря уже о том, что, если поместить её в какой-то идеальный неуничтожимый объём, она попросту начнёт остывать, теряя необходимые для реакции свойства.

Так появились токамаки.