Текст уведомления здесь

Предсказать новый мир

Физики научились придумывать новые материалы, не создавая их

С чего начинается разработка нового материала? Находят ли общий язык теоретики и экспериментаторы? И какова философия современного материаловедения? «Чердак» встретился с главой кафедры «Теории и моделирования» МИСиС Игорем Абрикосовым и узнал всю правду.
Добавить в закладки
Комментарии
— Как сегодня ученые создают новые материалы?

— Сегодня от момента открытия материала до его практической реализации проходит 10—12 лет, а то и все 20. При этом мы даже не говорим о тех сроках, которые уходят на то, чтобы разработать сам материал. Хочется сократить их вдвое. Чтобы это сделать, мы должны использовать новые инструменты, например компьютерное моделирование. В России оно пока недооценено, но именно с его помощью мы хотим уменьшить срок разработки новых материалов до 5-6 лет.

Единственно верным вариантом раньше был метод проб и ошибок. Сейчас ученые гораздо больше знают о том, как смешивать вещества, но все равно обычно мы ищем новые материалы «в окрестностях» уже существующих. Люди боятся уйти от привычного материала, потому что экспериментально это трудно и дорого. Но с помощью суперкомпьютеров мы можем исследовать все пространство планеты материалов, сделав затраты на подобное исследование разумными. В прошлом веке люди сначала синтезировали новый материал, а потом смотрели, чем он хорош. Мы же будем решать задачу от противного — подбирать материал исходя из свойства.

Глава кафеды теории и моделирования МИСиС Игорь Анатольевич Абрикосов. Фото взято из личного архива ученого.


— Как это возможно?

— В основе нашей работы лежит уравнение Шредингера. В 1965 году Уолтер Кон развил «теорию функционала плотности», которая свела проблему уравнения Шредингера к уравнению для одного электрона. Мы создаем компьютерные программы, которые решают уравнения данной теории. Как только мы узнаем, как движутся электроны, мы можем предсказать все свойства материала, к примеру, будут жить компоненты сплава вместе (если это сплав) или нет. И точность подобных расчетов уже может конкурировать с экспериментом.

— Удалось этим методом получить какие-то полезные материалы?

— Решая уравнения, нам удалось разработать материал для топливных ячеек — специальным образом допированный оксид церия (допирование — модификация полимеров, которая радикально повышает их электропроводность — прим. «Чердака»). На нем был установлен новый экспериментальный мировой рекорд по скорости движения кислорода.

В Швеции вместе с инженерами компании по производству твердосплавного инструмента для металлообработки Seco Tools я разрабатывал твердые покрытия для режущих инструментов уже из других материалов. На основе теоретических моделей и расчетов нам удалось сделать для компании Seco Tools новое покрытие из нитрида титана, алюминия, хрома и азота.

Резцы из нитрида титана. Изображение: jps/shutterstock


Мы сотрудничаем с директором научно-исследовательского центра «Конструкционные Керамические Наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Александром Мукасьяном. Вместе работаем над никель-алюминиевым сплавом. Он используется для лопаток двигателей самолетов. Главный его недостаток — хрупкость. Мы придумали, как сделать этот материал пластичнее. Профессор Мукасьян уже синтезировал новый сплав в своей лаборатории, и все промежуточные результаты, которые были нами посчитаны, подтвердились экспериментом с очень высокой точностью.

— При помощи чего вы можете предсказывать, как будет вести себя новый материал в разных условиях, например при нагревании?

— Совсем недавно мы разработали уникальные методы, позволяющие учитывать эффекты температуры. Раньше моделирование велось для температуры ноль кельвинов (минус 273,15 градусов по Цельсию). Учитывая, что нитрид титана теряет свою твердость при нагревании, это было не совсем верно. Резец просто не мог работать быстро, поэтому поднять температуру, при которой покрытие может работать, было одной из главных задач. Каждые 10—15 градусов давали прибавку 10—15% к производительности труда. Нашей находкой был хром, мы добавили его к основному составу, и в материале образовались наноострова. Если посмотреть на материал под микроскопом, можно увидеть, что при нагревании изначальный сплав начинает распадаться на области, богатые титаном, и области, богатые алюминием. Размеры этих областей — 5-6 нанометров. Это и есть наноострова. При этом богатые алюминием области портят свойства образца, но если добавить туда хром, эти области начинают «вести себя» гораздо лучше.

Еще один пример. В 1992 году научные группы Альбера Ферта и Петера Грюнберга открыли «эффект гигантского магнетосопротивления». Такой эффект наблюдается в тонких металлических пленках, состоящих из чередующихся магнитных и проводящих немагнитных слоев. Ученые сделали этакий «сендвич». Размер созданных ими прослоек составлял несколько десятков нанометров. Наши экспериментаторы решили их еще уменьшить — сделать на уровне межатомных расстояний. У них уже был подходящий материал с немагнитными прослойками на межатомных расстояниях. Они пришли к нам и спросили: «Какие элементы нужно добавить в наш материал, чтобы он стал магнитным?» Мы провели расчет, исследовали все возможные комбинации и предложили несколько вариантов, которые впоследствии синтезировали. Оказалось, что они действительно обладают интересными магнитными свойствами. Этот пример объясняет миссию нашей лаборатории. Однако наша главная цель заключается в том, чтобы изменить философию всего научного процесса материаловедения.

— И что это за философия?

— Если перед экспериментатором стоит задача разработать новый материал, то первым делом он пойдет в свою лабораторию и начнет смешивать, плавить и напылять. Только когда у него не получается, он вспоминает о теоретике и спрашивает, почему ничего не выходит. Если у него что-то получилось, он тоже придет к теоретику за объяснениями. Должно быть наоборот: прежде чем идти в лабораторию и начинать что-то смешивать, экспериментатору стоит обратиться к теоретику и спросить, что и как ему делать.

— Это кажется вполне логичным. Неужели экспериментаторы так далеки от теоретиков?

— Есть большое недоверие. Теория хоть и существовала, ее предсказательная сила была недостаточной для того, чтобы экспериментаторы нам верили. Сейчас философия начинает меняться. Моделирование на суперкомпьютерах подталкивает ученых друг к другу. К сожалению, у нас в стране экспериментаторы все еще очень предвзято относятся к теоретикам. Когда я вступил в эту отрасль, мы даже близко не могли решать те задачи, которыми занимаемся сейчас. Ошибки в наших расчетах были велики, экспериментаторы нам не верили, и, надо сказать, правильно делали! Сейчас ситуация изменилась, а доверия все нет.

— Как обстоят дела с моделированием новых материалов в России?

— Перед нами открыто очень много перспектив именно потому, что область моделирования в материаловедении недостаточно оценена. Одна из возможностей, которую мы бы хотели реализовать, — создать базу данных расчетных параметров материалов. Сейчас основное количество информации сосредоточено в журналах, и для поиска необходимого параметра приходится перелопачивать огромное количество литературы. Мы же хотим собирать базы данных и делать высокопроизводительные расчеты всех известных материалов с использованием суперкомпьютера. Правда, для этого нужны талантливые молодые люди, заинтересованные в физике и программировании.

— И как, есть приток молодых кадров?

— Мы довольные теми, кто к нам приходит. Я вижу, что сейчас к нам идет все больше студентов, заглядывают даже второкурсники. Люди, занимающиеся компьютерным моделированием, очень востребованы на рынке труда. Моделирование экономит гигантские средства в любой индустрии, и освоивший методы моделирования теоретической физики человек становится очень привлекательным для работодателя. Например, как-то в Швеции моего аспиранта хотели взять в штат компании по разработке турбин. Мне позвонил его потенциальный начальник и спросил: «Как вы думаете, справится ли юноша? Все-таки он никогда не занимался турбинами…» Я ответил: «Понимаете, человек освоил моделирование в теоретической физике, уж как-нибудь он и ваши турбины освоит». Это было аргументом. Мой аспирант получил работу и теперь очень доволен.

— В каких отраслях наиболее востребованы такие специалисты?

— Любой процесс, где ведется хоть какая-то разработка, обязательно включает в себя элементы моделирования. Я не могу представить области, где оно не было бы востребованным. Не говорю конкретно о решении уравнения Шредингера, но умение ставить задачи и решать их с помощью компьютера — необходимо.

— Что мешает развиваться моделированию в России?

— Одна из проблем — недостаточная развитость инфраструктуры. Суперкомпьютеры — довольно дорогая игрушка, они быстро устаревают. Среднее время жизни хорошего суперкомпьютера — около пяти лет, так что их нужно постоянно обновлять. Поскольку это довольно дорогой инструмент, имеет смысл решать этот вопрос более централизованно. Надо строить большие суперкомпьютерные центры и разрабатывать механизмы доступа ученых к ним, но такими проектами нужно заниматься на национальном уровне, это не под силу одному университету.
Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы