Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2020, T. 493, № 1, стр. 15-17

Проблема воздействия электромагнитных волн на биологические среды или объекты имеет сравнительно давнюю историю. Применительно к медицинским аспектам изучались различные методы диагностики, физиотерапии, определения допустимых доз облучения при работе с излучающими приборами, используемыми для связи, радиолокации и в других применениях. В последние годы появились работы по воздействию микроволн на бактерии и вирусы. Так, в работе [1] предлагается механизм резонансного воздействия на вирусы, основанный на трансформации электромагнитных колебаний в акустические. В настоящем сообщении речь идет о нетепловом воздействии на биообъекты мощных электромагнитных импульсов, характерные частоты которых лежат в микроволновом, а длительность в наносекундном диапазонах. Такие импульсы использовались при извлечении благородных металлов из упорных руд [2], для раскрытия везикул в решении проблемы адресной доставки лекарств [3, 4], воздействия на мембрану клетки [5] и в некоторых других приложениях. Физическая идея этих исследований, в отличие от их реализации, достаточна проста.

При воздействии импульса с большой напряженностью поля E на среду с электрофизическими неоднородностями на границах раздела возникают заряды, которые провоцируют различные, достаточно сложные физические явления – микропробои, механические деформации и растрескивания под действием пондермоторных сил и другие процессы, приводящие к модификации среды. В частности, при воздействии на биологические объекты с размерами 0.1–1 мкм, характерные для вирусов и бактерий, возможно их разрушение. Следует отметить, что эффективность воздействия зависит от формы биообъекта, в частности, вирус COVID-19 имеет характерные нановыступы [6–9], способствующие проникновению в клетку организма. Как известно, напряженность поля вблизи микро- или наноострий увеличивается, что должно приводить к их повреждению при более низком значении напряженности внешнего поля.

Приведем некоторые оценки для достаточно простой модели, демонстрирующей пондермоторное воздействие. В качестве модели шиповидных отростков, содержащих рецептор-связывающие белки и образующих “солнечную корону” вируса, выберем диэлектрический эллипсоид. Рассмотрим задачу о возникновении вращающего момента $N$ пондермоторных сил, приложенного к сферически асимметричному диэлектрическому объекту с диэлектрической проницаемостью ε_c, окруженному диэлектрической средой с диэлектрической проницаемостью ε_m, при воздействии на него внешнего электрического поля E₀. Рассматриваемое сферически асимметричное (вытянутое) диэлектрическое тело может моделировать поведение шиповидного элемента “короны” вируса, обусловленное внешним электрическим воздействием. В качестве окружающей среды может быть рассмотрен воздух (в этом случае ε_m = 1) либо иная слабо проводящая среда. Будем для простоты считать, что форма шиповидного отростка вируса имеет форму вытянутого эллипсоида с главными полуосями a > b ≥ c (рис. 1).

В рассматриваемом случае возникает вращающий момент N, приложенный к вытянутому эллипсоидальному телу, стремящийся (в случае a > > b ≥ c) развернуть большую главную полуось по направлению электрического поля E₀:

где ϑ – угол между E₀ и наибольшей полуосью эллипсоида, V – объем эллипсоида, n(a, b, c) – коэффициент деполяризации который в случае эллипсоида вращения (a > b = c) может быть представлен в элементарных функциях: где $e = \sqrt {1 - \frac{{{{b}^{2}}}}{{{{a}^{2}}}}} $ – эксцентриситет эллипсоида вращения (n = $\frac{1}{3}$ для сферы и n ≪ 1 для сильно вытянутого тела b ≪ a).

В случае, когда величина вращающего момента сил (1) оказывается сравнимой с энергией химических связей ${{ \in }_{0}}$ (${{ \in }_{0}}\, \approx 1$ эВ)

можно ожидать разрушающего воздействия вращающегося эллиптического объекта на связи с ближайшими структурными элементами вируса. Условие (3) определяет критическое значение напряженности электрического поля: при котором величина вращающего момента становится достаточной для разрушающего действия шиповидных отростков. Для характерных значений параметров рассматриваемой задачи ε_m = 1 (воздух), ε_c = 3, ${{ \in }_{0}}\, = 1$ эВ, наибольший размер эллипсоида 40 нм, $\frac{a}{b}$ = 0.5, величина критического поля принимает значение

Из приведенной оценки ясно, что подобное, на первый взгляд, довольно высокое для биологических объектов значение напряженности электрического поля является, скорее, оценкой сверху из-за предположения о гладкости объекта. Однако даже при его реализации оно не окажет заметного воздействия на более однородные клеточные структуры биологических объектов в случае ультракороткого воздействия с длительностью импульса порядка 10^–9 с, так как электрическая прочность сред существенно увеличивается при укорочении длительности импульса [10].

Электрофизические свойства биологических систем, в особенности вирусов, как правило, неизвестны. Критериальные параметры для оптимальной напряженности электрической компоненты поля, длительности импульсов и частоту их следования необходимо подбирать экспериментально.

Пример нынешней пандемии COVID-19 показывает необходимость не только химических, но и физических методов стерилизации. Предлагаемый электромагнитный метод выгодно отличается от других способов простотой и отсутствием долговременных побочных эффектов.