Cercetare de nivel internațional se face în România, chiar dacă mai este drum de parcurs până la a ne înscrie în peisajul mondial al cercetării acolo unde ne este potențialul. Laserul de la Măgurele, care ne plasa în martie 2019 în elita mondială a cercetării, oferă posibilități nebănuite de dezvoltare a tehnologiilor în medicină și o oportunitate de a trece, cu ajutorul laserilor, la ceea pare acum de domeniul fantasticului: chirurgia de nivel molecular și celular. Răspunsuri de la Acad. Nicolae Zamfir, cel care și astăzi ar alege România pentru o carieră în cercetare.
Acum 7 ani, pe 7 martie 2019, când erați și director al Institutului Național de Fizică și Inginerie Nucleară „Horia Hulubei” (IFIN – HH), laserul de la Măgurele a atins cea mai mare putere din lume, de 10 PetaWatts. Asistam atunci la o premieră științifică mondială. Cât de dificil a fost drumul către această performanță?
Pe 7 martie 2019, în cadrul centrului Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics (ELI-NP), sistemul laser de mare putere a atins 10 PetaWatts (10 milioane de miliarde de wați), cea mai mare putere laser realizată până atunci în lume. Acest moment a reprezentat o premieră mondială pentru fizica laserelor și una dintre cele mai importante realizări științifice din Europa de Est din ultimele decenii. Europa a devenit lider mondial în domeniul laserelor ultra-puternice.
Laserul de la Măgurele a fost rezultatul unui proces științific și tehnologic de peste 15 ani, extrem de complex. Ideea infrastructurii europene ELI a apărut în jurul anului 2005, la inițiativa comunității europene de fizică a laserelor și a cercetătorului francez Gérard Mourou, laureat al Premiului Nobel pentru Fizică (2018).
Pentru a ajunge la 10 PW au fost necesare tehnologii aflate la limita posibilului: amplificarea pulsurilor laser ultra-scurte (femtosecunde), sisteme optice de mare stabilitate, cristale speciale de Ti:safir, sisteme complexe de răcire și control al vibrațiilor, alinierea perfectă a opticii de mare dimensiune. Orice imperfecțiune microscopică poate distruge sistemul optic deoarece densitatea de energie este enormă.
Sistemul laser a fost realizat de firma THALES, instalarea sistemului a început în 2016, iar testele au durat aproape 3 ani până la atingerea parametrilor finali. Proiectul a fost finanțat în mare parte din fonduri structurale ale Uniunii Europene, completate de fonduri ale statului român. A fost una dintre cele mai mari investiții în cercetare din Europa de Est. ELI-NP a implicat colaborarea cu laboratoare din Franța, Germania, SUA, Japonia și companii specializate în optică de mare precizie.
Platforma științifică de la Măgurele are o tradiție importantă în fizica laserelor, fizica nucleară, acceleratoare de particule, fizica teoretică. Această bază instituțională a făcut posibilă integrarea unui proiect de asemenea anvergură. Laserul de 10 PW deschide perspective majore în cercetare: producerea unor noi izotopi medicali pentru tratamentul cancerului, studierea reacțiilor nucleare extreme, simularea fenomenelor din stele sau supernove, tehnologii pentru neutralizarea deșeurilor radioactive. Laserul de 10 PW poate genera plasmă extrem de energetică și fascicule de particule (protoni, electroni, ioni) care pot declanșa reacții nucleare. Experimente posibile: producerea de izotopi radioactivi rari, studierea reacțiilor nucleare din stele, investigarea proceselor de nucleosinteză. Aceste experimente ajută la înțelegerea modului în care se formează elementele chimice în Univers.
La intensități foarte mari ale câmpului electromagnetic se pot testa predicții ale Electrodinamicii cuantice. Experimentele urmăresc fenomene precum: apariția perechilor electron-pozitron din vid, polarizarea vidului, interacția foton-foton. Aceste fenomene sunt extrem de greu de observat și necesită intensități laser uriașe. Unele experimente vizează producerea de izotopi utilizați în medicina nucleară, care sunt greu sau imposibil de produs în reactoarele nucleare clasice.
Un alt domeniu de cercetare este transmutarea nucleară. Prin reacții nucleare induse de laser se pot transforma izotopi radioactivi de lungă durată în izotopi cu timp de înjumătățire mult mai mic. Aceasta ar putea reduce problema depozitării deșeurilor nucleare pe termen lung. Laserul poate accelera particule pe distanțe foarte scurte. Acest lucru ar putea duce la acceleratoare mult mai mici și mai ieftine, surse compacte de radiație pentru medicină și industrie.
Atingerea puterii de 10 PetaWatts la Măgurele a fost rezultatul unui efort internațional de lungă durată, care a implicat finanțarea europeană, expertiza internațională și infrastructura științifică românească. Evenimentul din 7 martie 2019 a reprezentat nu doar o realizare tehnologică, ci și intrarea României în elita mondială a cercetării în fizica laserelor.
Care sunt cei mai importanți fizicieni români, cu cercetări recunoscute la nivel mondial? În ce măsură succesul obținut în cadrul proiectului ELI-NP Măgurele se datorează și marilor personalități ale fizicii românești?
Succesul obținut la Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics (ELI-NP) nu este doar rezultatul unei investiții moderne sau al cooperării europene. El se sprijină într-o măsură importantă și pe tradiția creată de mari personalități ale fizicii românești, care au construit, timp de aproape un secol, școli de cercetare solidă în fizică: Profesorul Horia Hulubei în fizica nucleară, Profesorul Șerban Țițeica în fizica teoretică, Profesorul Ion Agârbiceanu în fizica laserelor și mulți alții. Un factor important l-a constituit și integrarea fizicienilor români în marile rețele internaționale de cercetare și noile generații de cercetători formați în Europa și SUA.
Ați activat ca visiting scientist la Univ. din Köln (1990-1992), apoi ca fizician la Brookhaven National Laboratory, Upton, New York (1992-1997) și ca senior research scientist la Yale University, Wright Nuclear Structure Laboratory, New Haven, Connecticut (1997-2004). Cât de mult au contat aceste experiențe în realizarea ELI-NP Măgurele? Dacă ar fi să dați timpul înapoi, v-ați mai întoarce din SUA pentru un proiect de cercetare în România?!
Cei aproximativ 14 ani petrecuți în instituții de cercetare din străinătate și experiența internațională acumulă au avut un rol foarte important în realizarea proiectului ELI-NP. Lucrând în unele dintre cele mai importante laboratoare de fizică nucleară din lume am avut contact direct cu proiectarea și operarea marilor instalații științifice, managementul proiectelor internaționale de cercetare și organizarea experimentelor complexe. Am avut oportunitatea să dezvolt relații profesionale cu cercetători din întreaga lume. Aceste conexiuni au fost foarte utile în implicarea în consiliile și comitetele științifice ale ELI-NP a marilor personalități din fizica mondială, pentru atragerea cercetătorilor străini la Măgurele și crearea colaborărilor pentru viitoarele experimente.
Răspunsul la întrebarea dacă m-aș mai întoarce din SUA ar fi fără ezitare DA! În primul rând, am simțit întotdeauna că sunt dator locului care m-a format, iar participarea la revitalizarea platformei științifice de la Măgurele consider că este un mod de a-mi plăti din această datorie. În plus, pentru un cercetător, posibilitatea de a construi și conduce o infrastructură științifică de nivel mondial apare extrem de rar în carieră. Din punct de vedere profesional, această decizie oferă o influență mult mai mare asupra dezvoltării personale, chiar dacă a venit cu responsabilități și provocări considerabile.
Tehnologia în domeniul medical a avut o evoluție fulminantă. Cum vedeți evoluția laserului în medicină? Ce poate aduce nou față de actualele tehnologii laser care se utilizează în mod curent în 2026? Există proiecte în derulare la ELI-NP Măgurele în această direcție?
Evoluția laserului în medicină în următoarele decenii va fi probabil una dintre cele mai spectaculoase transformări tehnologice din domeniul medical. Dacă în 2026 laserele sunt deja utilizate în mod curent în oftalmologie, chirurgie, dermatologie sau ORL, următoarea etapă va fi trecerea de la chirurgia de precizie la medicină la nivel celular și molecular.
Laserele moderne cu impulsuri ultra-scurte (femtosecunde și viitoare attosecunde) pot interacționa cu țesuturile la scară celulară sau chiar moleculară, fără distrugerea structurilor din jur: intervenții pe celule individuale, secționarea selectivă a structurilor intracelulare, chirurgie neuronală extrem de precisă.
Probabil că în viitor va fi posibilă eliminarea unor celule canceroase fără afectarea celor sănătoase. În multe proceduri chirurgicale, laserele ar putea înlocui complet bisturiul mecanic și chirurgia, cu beneficii majore în reducerea traumei și sub aspect estetic.
Laserele ultra-puternice pot accelera electroni și protoni. Această tehnologie ar putea duce la acceleratoare de particule miniaturizate pentru spitale, cu costuri mult mai mici decât acceleratorii clasici, pentru protonoterapie sau hadronoterapie.
Laserele ultra-rapide (femtosecunde sau attosecunde) permit studierea proceselor biologice la scări de timp extrem de mici. Aceasta poate duce la înțelegerea reacțiilor biochimice în timp real, la dezvoltarea unor medicamente mult mai precise.
Fibrele optice miniaturizate permit transportul laserului în interiorul corpului. În consecință, s-ar putea efectua intervenții laser în organe profunde fără chirurgie deschisă, de exemplu în creier sau chirurgie intravasculară.
Unele dintre aceste tehnologii viitoare ar putea fi dezvoltate folosind lasere ultra-puternice precum cele de la infrastructura ELI-NP din România.
Cercetarea costă și sunt și proiecte care nu se finalizează cu succesul scontat. Care este gradul de accesibilitate al cercetătorilor români la noile tehnologii din cercetarea avansată? Se poate face cercetare de vârf în țara noastră? Cum vedeți colaborarea plurisciplinară într-un proiect care dezvoltă noi tehnologii cu aplicații în medicină?
Cercetarea științifică este într-adevăr costisitoare și, uneori, cu elemente de incertitudine privind rezultatele, nu toate proiectele finalizând-se cu succes. Aceasta este o realitate fundamentală a inovării, mai ales în domenii de frontieră precum noi tehnologii laser în medicină.
Nu toate proiectele științifice își ating obiectivele inițiale. Riscurile includ: unele cercetări au rezultate neașteptate, unele tehnologii nu funcționează așa cum se preconiza, un experiment de laborator poate fi imposibil de transpus în practică.
În ceea ce privește cercetarea din România, în opinia mea, din câte cunosc, cel puțin în matematică, fizică, chimie, se poate face și se face cercetare de vârf, cercetare avansată. În ultimii 10-20 de ani atât infrastructura de cercetare cât și participarea la marile colaborări internaționale s-a îmbunătățit considerabil.
Sunt de părere că ar trebui însă intensificată colaborarea între diferite discipline. În general, colaborarea interdisciplinară aduce beneficii importante. Ideile provenite din domenii diferite se combină și generează soluții complet noi.
În proiectele care dezvoltă noi tehnologii cu aplicații în medicină colaborarea între discipline este esențială, deoarece medicina modernă se află la intersecția mai multor domenii științifice: fizică, inginerie, biologie, informatică și științe clinice. Proiectele bazate pe tehnologii avansate – precum laserele medicale – nu pot fi realizate eficient de o singură disciplină.
Colaborările internaționale în domeniul cercetării între universități, institute de cercetare, cercetători, organizații regionale facilitează și permit accesul la informații, resurse, networking etc. Având în vedere experiența Dvs., pe ce poziție de la 1 la 10 ați situa conectarea cercetării românești la cercetarea din UE și zona Nord-Atlantică? Cum vedeți creșterea interconectivității cu structurile de cercetare europene?
Participarea la marile colaborări internaționale s-a intensificat considerabil în ultimii ani. S-au înmulțit colaborările bilaterale între instituții din România și cele din Europa sau SUA, însă participarea instituțiilor românești la proiecte europene de cercetare de anvergură este încă sub posibilități. Din această cauză aș nota cu 7-8 conectarea cercetării din țara noastră la cercetarea din zona Nord-Atlantică. Consider că un impact pozitiv ar avea îmbunătățirea colaborării la marile proiecte de cercetare europene multi-instituționale, o mai mare stabilitate a finanțării naționale ale diverselor arii de cercetare și o informare sistematică a cercetătorilor români referitor la lansările de proiecte europene. Este necesar ca și Academia Română să contribuie în aceste direcții.
Ce tip de programe de cercetare ar fi necesare la nivel național pentru a crește apetitul tinerilor dotați pentru cercetare? Credeți că IA ar putea avea un rol important?
Nu consider că este nevoie de alte programe naționale de cercetare pentru a atrage tinerii. Problemele sunt, din punctul meu de vedere, în învățământul preuniversitar, în nivelul de salarizare și în lipsa stabilității în finanțarea cercetării. Sigur că IA ușurează activitatea de documentare în cercetarea științifică, însă s-ar putea ca impactul asupra apetitului tinerilor pentru cercetare să fie mic.
Academia Română, ca forum al consacrării și spațiu al cercetării fundamentale, include sub aceeași cupolă toate științele. Cum considerați că se poate dezvolta o colaborare pluridisciplinară la nivel academic și de cercetare în învățământul superior? Ce buget din PIB ar trebui alocat cercetării pentru o creștere economică ca rezultat al producției cu valoare adăugată mare?
Intensificarea colaborărilor instituționale între institutele Academiei Române cu universități, institute naționale de cercetare-dezvoltare și cu unități economice, îmbinarea cercetărilor fundamentale cu cele aplicative ar conduce fără îndoială la creșterea aportului cercetării la dezvoltarea economică. Aceste colaborări ar putea fi încurajate și sprijinite prin măsuri financiare și legislative. Nivelul finanțării cercetării are, bineînțeles, un impact major asupra acestui aport. În ceea ce privește procentul din PIB care ar trebui alocat cercetării, nu cred că este nevoie de studii de amploare și este suficient să aplicăm procentul ce se practică în țările dezvoltate economic și în celelalte țări europene.
Cum vedeți evoluția dezvoltării tehnologiilor în domeniul medical în țara noastră? Care este mesajul dvs. pentru tinerii cercetători în fizică, biofizică, chimie, medicină, care își doresc să facă cercetare la nivel înalt?
Menirea Centrului Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics (ELI-NP) este să se constituie într-o „navă amiral” care să atragă atenția decidenților, a publicului larg asupra cercetării științifice din România, să arate că cercetarea științifică românească se înscrie în cercetarea științifică mondială. Cercetările de la ELI-NP vor avea un impact major asupra cercetărilor din domeniul laserelor și a aplicațiilor lor în medicină, a intensificării colaborărilor internaționale.
Mesajul pentru tinerii cercetători: Cercetarea științifică este o activitate palpitantă, care necesită eforturi și dedicație, însă poate oferi satisfacții deosebite!
