Миллионы лет назад природа образовала в недрах планеты на глубинах в десятки километров редкие полезные ископаемые. Зачем новосибирские ученые сегодня пытаются повторить этот путь в лабораториях, и как созданные ими минералы обеспечат прорыв в высокотехнологичной промышленности России, рассказывает новый сюжет проекта Сиб.фм «Будущее российской науки».
«Машина времени» для геологов
Встреча с героем следующей истории - научным сотрудником лаборатории рудоносности щелочного магматизма Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, кандидатом геолого-минералогических наук Дмитрием Чеботаревым начинается со знакомства с уникальной установкой, которую ученый собрал сам.
Дмитрий Александрович с гордостью демонстрирует блестящую стальную конструкцию со сложным названием: гидротермальная установка высокого давления с автоклавами с системой быстрой закалки. Она изготовлена по образу и подобию германских установок и по чертежам, привезенным молодым ученым из Потсдамского центра наук о Земле им. Гельмгольца (Deutsches GeoForschungsZentrum, GFZ) в Германии, где он проходил несколько длительных стажировок.
Несмотря на то, что в мире такие системы используются уже давно, в России она пока единственная. Немецкие коллеги, по словам Дмитрия, не верили, что он сумеет воссоздать такую же установку «с нуля» у себя в институте – слишком уж сложными для изготовления являются некоторые ее детали. Например, чтобы изготовить сталь для автоклавов, германский научный центр направлял крупный спецзаказ на один из заводов Круппа, а механическая обработка велась на специальных станках германских оружейных заводов, поскольку используемая сталь является одновременно твёрдой и вязкой - при проточке внутреннего объёма сверло может отклониться от центральной оси к стенке или вовсе застрять и испортить заготовку. Но новосибирец доказал, что для сибирского характера нет преград: загоревшись идеей создать необходимый для исследований механизм, он нашел единомышленников, которые помогли изготовить нужные детали в точном соответствии с чертежами. Пришлось для этого обратиться и в Институт ядерной физики, и даже на авиационный завод им. Чкалова, но заказ сумели выполнить мастера опытного производства в новосибирском технопарке. Помог разобраться и довести дело до конца опыт работы в лаборатории экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса, где молодой ученый начал свой путь экспериментатора еще во время учебы в университете, моделируя на установках другого типа условия для роста алмазов, аналогичные условиям верхней мантии на глубинах 200 км.
«Особенностью данной установки является то, что в автоклавах, установленных вертикально под печью, есть горячая и холодная зоны, что даёт возможность моментально закалить экспериментальный образец во время эксперимента, не меняя при этом температуры и давления и сохранив, таким образом, свойства образца. Благодаря тому, что в этой установке можно создать высокие, до тысячи градусов, температуру и давление, аналогичное давлению в земной коре на глубинах до 5 км, мы можем моделировать широкий спектр геологических обстановок и процессов. Нам очень важно при этом получить образец, который сформировался именно в таких условиях», - объясняет Дмитрий Чеботарев.
Здесь же, рядом с установкой – стол и шкаф, заставленный множеством емкостей с разными веществами. Над ними-то и «колдует» исследователь, смешивая разные элементы, химические реактивы в нужных пропорциях, чтобы получить исходную субстанцию, которая затем отправится в этот рукотворный вулканический очаг нашей планеты.
В ходе этих экспериментов, смесь химических реактивов преобразуется в кристаллы и горные породы, которые исследователи сопоставляют с природными аналогами. Благодаря этому удается понять, из чего и каким образом миллионы лет назад образовались те или иные породы и полезные ископаемые.
Зачем это нужно? «Мы наблюдаем в природе результат каких-то событий, произошедших много миллионов лет назад. Но мы не можем ни вернуться назад во времени, ни заглянуть в недра нашей планеты на такую глубину. Но используя специальные установки, ученые могут воссоздать условия формирования этих пород», - рассказывает Дмитрий.
«Это наше будущее, гарантия нашей безопасности»
Тем более, что изучает он необычные и очень редкие породы. Их названия известны, пожалуй, лишь специалистам - карбонатиты. «Это крайне редкие в мире породы, - говорит ученый. - На данный момент известно чуть более 600 их проявлений во всем мире. И, по стечению каких-то неведомых обстоятельств, именно эти породы почему-то являются главными месторождениями важных стратегических металлов, называемых «редкие земли» и высокозарядные элементы. К ним, в частности, относятся ниобий и тантал».
По словам Дмитрия Чеботарева, без этих металлов невозможна современная высокотехнологичная экономика. «Все наши электронные гаджеты, вся точная электроника построены на базе этих металлов. И волей случая какие-то породы содержат ураганные, большие количества этих элементов, а какие-то попросту пусты. И возникает вопрос: какие факторы влияют на это, почему, как говорится, где-то густо, а где-то пусто?», - замечает он.
Сегодня ученые имеют возможность воспроизвести образование этих пород в «домашних» условиях лаборатории. «Мои исследования позволят геологам лучше понять характер распределения этих рассеянных металлов в породах. Какие факторы влияют на их транспортировку либо на их осаждение, где их искать, либо ответят на вопрос, почему они здесь, возможно, когда-то были, но теперь их не стало. И подскажут, где искать эти ископаемые и где их лучше будет добывать», - поясняет цель своих исследований Дмитрий.
Как отметил исследователь, в данный момент щелочные породы карбонатитов активно изучаются, в силу того, что они обогащены редкоземельными и высокозарядными элементами. По его словам, сейчас в мире идет большая гонка – кто быстрее и лучше поймет природу этих образований.
Значимость этих исследований молодой ученый поясняет на очень выразительном примере. «На данный момент главным поставщиком этих металлов на мировой рынок является Китай, - говорит Дмитрий. - И поэтому в Китае сосредоточено так много производств: ноутбуков, смартфонов, различных гаджетов. И вся промышленная электроника тоже производится там.
Но у нас в России - в Сибири тоже есть крупные месторождения – в Якутии, Бурятии, Красноярском крае. Изучая эти месторождения, мы лучше понимаем, как добывать эти элементы, потому что на данный момент Россия их сама не производит, а покупает на внешнем рынке. Добывая и производя эти металлы у нас, мы сможем заложить фундамент для собственной высокотехнологичной промышленности, экономики, стать независимыми в этих и других сферах. Эти металлы являются стратегически важными, это сырье так называемого двойного назначения - оно применяется как в гражданской, так и в военной сфере. Это наше будущее, гарантия нашей безопасности».
Кстати, во время экспедиций, если повезет, можно открыть новые минералы, поделился ученый: «Сейчас открыто более 6500 разных минералов, и новые открытия случаются в области нанометровых, то есть, практически невидимых невооруженным глазом кристалльчиков. А во время работы над моей кандидатской диссертацией по изучению пород Чуктуконского карбонатитового месторождения редких металлов в Красноярском крае нам крупно повезло: мало того, что мы нашли кристалл размером до полутора миллиметров, так этот минерал еще и на 40% состоит из ниобия, что позволяет считать его рудным для добычи этого важного стратегического металла – такое можно назвать большой находкой во всех смыслах. И этот новый минерал мой научный руководитель назвала в честь своего научного руководителя – риппитом. Надеюсь, и я смогу когда-нибудь сделать так же, и мои ученики сделают такое для меня».
«Мне все интересно»
Из научной лаборатории отправляемся прямиком в зал бокса. Глядя, с каким азартом Дмитрий тренируется на ринге, на всякий случай, интересуюсь с некоторой тревогой: не слишком ли рискованное это занятие для ученого? Все-таки голова – это даже не личное достояние исследователя, а, можно сказать, народное. Молодой ученый смеется: «Я занимаюсь боксом для того, чтобы не терять фокуса».
Впрочем, по словам Дмитрия, это - не единственный его вариант отдыха. «Я руководствуюсь советами великих. Как сказал Эйнштейн, лучший отдых – это смена деятельности. Вместе с тем, как говорил Резерфорд, не нужно работать утро, день и ночь, потому что, как же вы тогда найдете время для того, чтобы подумать. Для того чтобы немножко разгрузить голову, мы вместе с друзьями встречаемся по воскресеньям, дурачимся, ходим на разные выступления», - говорит он.
Именно разносторонность интересов помогла ему в свое время стать ученым, уверен Дмитрий Чеботарев: «Я с детства был любознательным ребенком и активно интересовался тем, как устроен мир вокруг меня. Мне нравилось смотреть научно-популярные передачи по телевизору, особенно передачи советского производства – с теми учеными, лабораториями, научным производством. Мне все было интересно, ко всему меня тянуло». Может быть, поэтому и с профессией будущий ученый определился не сразу: сначала его больше привлекали точные науки, и он даже поступил на механико-математический факультет НГУ после учебы в Высшем колледже информатики.
Впрочем, быстро разобрался, что это не совсем его призвание, и перевелся на геолого-геофизический факультет. И вот тут уже появился интерес к исследованиям, и началось настоящее вхождение в науку.
По мнению Дмитрия, главными качествами для ученого являются любознательность, честолюбие и усердность. При этом, на данном этапе он не ставит для себя фантастических сверхзадач, а сосредотачивается на конкретных ежедневных ориентирах. Кажущееся противоречие молодой ученый комментирует так: «Мне кажется, нельзя ставить цель для себя: стать академиком, совершить какое-то глобальное открытие. Потому что во всем этом есть элемент большой удачи. На мой взгляд, важен сам интерес к процессу. Мне нравится узнавать что-то новое, в чем-то разбираться, по крупицам узнавать, как произошел тот или иной геологический процесс. И таким образом описывать нашу природу и через это получать какие-то новые знания о ней».
Для успеха в науке, считает он, важно иметь терпение, быть готовым к тому, что в работе есть много рутинного. Но главное – не сдаваться на своем пути к цели и быть усердным. «Это очень интересная деятельность. Здесь есть возможность путешествовать, общаться с новыми людьми, и есть ради чего оставаться в науке», - подводит итог Дмитрий Чеботарев.
Перед тем, как отправиться в следующую лабораторию, желаем молодому ученому, чтобы в его научной карьере большая удача непременно случилась.
