Лечит рак и модифицирует материалы – ученые ПНИПУ рассказали об использовании гамма-излучения

Гамма-излучение считается весьма опасным для человека: в больших дозах оно приводит к лучевой болезни, провоцирует развитие онкологии и вызывает мутации. Но может ли оно принести пользу? Как при помощи гамма-излучения уничтожают болезнетворные микроорганизмы и модифицируют материалы, рассказал кандидат технических наук, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Владимир Онискив.

Что такое гамма-лучи и как они действуют?

Гамма-лучи – это электромагнитные волны чрезвычайно малой длины. Они обладают большой энергией и способностью проникать глубоко сквозь вещество. Защитить от них могут материалы, обладающие очень высокой плотностью – свинец, бетон, сталь и др. Благодаря этой способности, гамма-лучи воздействуют на живые существа, различные материалы и изделия, меняют их свойства (жесткость, износостойкость, термостойкость и т.д.), разрушают старую или создают новую структуру вещества.

Существуют природные и искусственные источники гамма-излучения. К природным источникам следует отнести космические лучи, а также радиоактивные химические элементы (уран, торий, радий, кобальт, цезий и др.) К искусственным – реакторы атомных станций, отработанное ядерное топливо, некоторое специальное медицинское оборудование и т.д.

– Принцип воздействия гамма-излучения состоит в следующем: есть ядро атома, вокруг него находится электронная оболочка, гамма-кванты, взаимодействуя с ней, возбуждают ее, при этом некоторые из электронов покидают электронную оболочку. Таким образом, атом становится активным и готовым к взаимодействию. Такие атомы называют свободными радикалами. В зависимости от химических свойств и структуры материала происходит межмолекулярное сшивание либо деструкция. Если молекулы образуют новые связи, плотность молекулярной решетки увеличивается, а свойства материала изменяются, – объясняет Владимир Онискив.

Но если доза облучения слишком велика, межмолекулярные и межатомные связи рвутся, что резко снижает прочностные свойства материала и может полностью разрушить его. Один из вариантов борьбы с болезнетворными микроорганизмами и онкологическими заболеваниями состоит в деструктивном воздействии на генетический аппарат клеток, то есть в разрушении связи в молекуле ДНК таким образом, чтобы нарушить механизм ее деления.

Стерилизация медицинских изделий

Хирургические инструменты, медицинские перчатки, шприцы, бинты – все они в целях безопасности пациентов должны быть стерильными, т.е. обеззаражены, очищены от микроорганизмов. Убить вредоносные бактерии, грибы и вирусы, вызывающие различные заболевания, способна обработка гамма-лучами.

– Кроме радиационной существует еще химический (при помощи специальных растворов и газа) и термический (при помощи горячего воздуха или пара) способы стерилизации. Однако, например, изделия из пористых материалов можно стерилизовать только гамма-лучами. Причина в том, что закрытые поры находятся внутри материала, а жидкость и газ не могут в них проникнуть. В частности, по этой причине 40% медицинских изделий за рубежом стерилизуются именно радиационным воздействием. Кроме того, этот способ обеззараживания очень технологичен (изделия стерилизуются в упаковке) и экологичен, – рассказывает эксперт ПНИПУ.

Поиск полезных ископаемых

Гамма-излучение служит инструментом в области добычи полезных ископаемых – с его помощью исследуют геофизические параметры скважин. Эта процедура, называемая гамма-каротажем, применяется для обнаружения потенциально нефтяных и газовых пород, изучения характеристик пластов, оценки концентрации железа, олова, свинца и других тяжелых металлов.

Для этого в скважину опускают специальный геофизический зонд с детектором гамма-излучения. Поскольку многие горные породы в той или иной степени радиоактивны, они излучают особые частицы – гамма-кванты. Детектор считывает их, преобразует в электрический сигнал и передает его исследователям в каротажную станцию на поверхности. Этим методом чаще всего определяют глинистость пород, наличие в ней различных полезных элементов, разделение скважины на пласты.

Кроме того, существует метод гамма-гамма-каротажа, при котором породы облучают искусственно. Технологию обычно применяют на нефтяных, газовых и угольных месторождениях. В скважину погружают зонд, состоящий из источника гамма-излучения, свинцового экрана и детектора. Источник облучает породу на интересующем участке скважины, она становится радиоактивной и начинает излучать гамма-кванты в ответ, зонд регистрирует их и отправляет сигнал на верх. Свинцовый экран нужен для того, чтобы излучение источника не искажало показания и не мешало детектору.

Этот метод позволяет более эффективно измерять параметры пород, поскольку иногда их естественное излучение может быть слишком слабым и не считываться детектором.

Модификация материалов

Как отмечает ученый ПНИПУ, существует и активно развивается целое направление по изучению воздействия гамма-лучей на различные материалы: пластики, композиты на основе базальта и каучука, сверхвысокомолекулярный полиэтилен и другие.

– Мы проводим исследования по изучению влиянию гамма-излучения на свойства базальтового композита. Базальт – уникальный материал, дешевый и доступный, не гниет и не окисляется. Его широко применяют в автомобиле- и судостроении, строительстве, нефтегазовой отрасли и медицине. Из базальтокомпозита делают понтоны и волнорезы, автомобильные тормозные колодки и диски сцепления, протезы тазобедренного и коленного суставов человека и многое другое. Подвергая базальтокомпозит различным дозам облучения, мы тем самым меняем его прочностные и механические свойства, трансформируя материал в соответствии с потребностями, можем делать его более прочным, жестким или упругим, – делится Владимир Онискив, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ.

Похожим образом модифицируют свойства полиэтилена, из которого создают изделия с эффектом памяти формы. Их применяют в электротехнической, кабельной, строительной и ряде других отраслей.

Гамма-лучи могут быть как источником опасности, так и незаменимым инструментом во многих отраслях человеческой деятельности – от промышленности до медицины. Область их применения обширна, и ученые продолжают вести исследования в данном направлении, находя новые способы применения гамма-лучей и изучая их воздействие на перспективные материалы.