Примерное время чтения: 13 минут
107

Зачем ученые передвигают атомы и меняют структуры кристаллов

Съемочная группа проекта Сиб.фм «Будущее российской науки» отправляется в Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН, чтобы увидеть, как молодые ученые «колдуют» над кристаллами,   изобретая новые материалы для прорывных технологий будущего.

Полки в лаборатории фазовых превращений и диаграмм состояния вещества Земли при высоких давлениях Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН сплошь заставлены яркими моделями кристаллов. На столе целых три 3D-принтера, которые наших глазах выплавляют из проволоки  веселый голубой шарик – часть будущей  модели кристалла. 

Об объектах своих исследований герой нашего очередного сюжета - старший научный сотрудник кандидат геолого-минералогических наук доцент кафедры минералогии и геохимии ГГФ НГУ  Павел Гаврюшкин рассказывает, словно о живых. «Я занимаюсь внутренним миром кристаллов», - говорит он. Он, действительно, не только досконально изучил все богатство строения своих «подопечных», но и научился предсказывать их поведение.

Ничего случайного в жизни не бывает

Так считает молодой ученый, сегодня возглавляющий уникальную исследовательскую группу, пожалуй, единственную в России, которая не только рассчитывает, моделирует свойства новых материалов для высоких технологий, буквально атом к атому складывая нужные характеристики в единый узор, но и в сотрудничестве с экспериментаторами на практике проверяет предсказанное поведение этих кристаллов  в самых разнообразных     условиях.

А ведь когда-то Павел Гаврюшкин видел себя в другой профессии. Он мечтал быть химиком. В школе химия была его любимым предметом, который давался легко и без усилий. В школьные годы, вспоминает  Павел Николаевич, он, житель глубинки, расположенной в 30-ти километрах от Новокузнецка, практически без подготовки обошел многих учащихся специализированных классов на новокузнецкой городской олимпиаде по химии, заняв призовое место.

Фото: Сиб.фм

 

Побывав в Летней физматшколе при НГУ, прошёл непростой отбор в физматшколу, и за это время, по его словам, просто влюбился в науку: «Потому что у нас преподавали замечательнейшие люди. Это были ученые. В 2000 – 2001 годах это было чем-то из ряда вон выходящим, по школьным меркам. Семинары по физике у нас вел кандидат физических наук, по математике – кандидат математических наук,  а лекторы были докторами. Это были люди, которые реально занимались наукой, которые рассказывали интересно. Например, физик нам много рассказывал про атомную бомбу. Он был как-то связан с этим, приезжал с конференции, показывал фотографии. И вот вся эта атмосфера Академгородка, это ощущение, того что что-то в жизни будет замечательное и интересное, та доброжелательность – все это вместе зажгло любовь к науке».

Окончив физматшколу, молодой человек отлично сдал экзамены в НГУ, и перед ним открылись  двери сразу нескольких факультетов. Родители уже видели его студентом факультета естественных наук. Но в последний момент, рассказывает Павел Гаврюшкин, что-то, как говорится, пошло не так: «Это был единственный факультет, на котором было письменное собеседование – дополнительно к экзаменам. И, к своему удивлению, я его не сдал. Я до сих пор думаю: какие были причины? То ли я волновался, то ли еще почему, но что-то случилось, видимо, такая у меня была судьба». Не попав на химию, будущий ученый решил: а почему бы не пойти на гео-химию? 

Маму, признается Павел, тогда этот выбор немного смутил. «И даже не потому, что химия считалась чем-то престижным. Просто геология казалась чем-то странным, - улыбается он. - Если с химиком все более-менее понятно: это тот, кто работает в лаборатории, проводит опыты, делает науку, то чем занимается геолог, мамы иногда представляют не совсем правильно: некто с гитарой, что-то ищет в тайге, с комарами и так далее. Но я объяснил, что это классный факультет, есть возможности нефтяных стажировок. Поэтому родители меня поддержали». 

А сейчас, размышляя на эту тему, Павел Гаврюшкин видит в этом, скорее, подарок судьбы, чем крушение детских надежд: «Дед у меня – Заслуженный учитель  России, он был долгое время директором школы и параллельно вел географию. То есть, у меня еще, может быть, от деда была геологическая закалка: я люблю путешествия – меня всегда тянули дальние дали. 

А прадед по бабушке у меня был золотоискателем еще в царские времена в Бодайбо – это город золотодобытчиков, крупное месторождение, которое находится далеко на Севере. Он был золотоискателем и погиб при загадочных обстоятельствах. Эту историю я слышал от родных, и у меня все сливалось – география, геология - в нечто привлекательное, романтическое, манящее».

Все начинается с кристалла

Фото: Сиб.фм

 

Выбрав геохимию и оставшись ей верным, не соблазнившись на работу в «богатой» нефтяной отрасли, молодой ученый, по его словам, ни разу не пожалел об этом. Хотя поиск своего пути в науке и сам этот путь был непростым и извилистым, а к нынешним исследованиям Павел пришел, сменив несколько направлений.

«Я занимаюсь внутренним миром, внутренним строением кристаллов, -  объясняет ученый суть своих исследований.  - Определяю, как они устроены – при одних условиях, при других условиях, что может с ними происходить и, самое главное, как это влияет на их свойства. Приходится решать и обратные задачи, когда нужен кристалл с какими-то определенными свойствами. Например, для электроники. И мы решаем задачу, как должны быть расположены атомы, где взять такой кристалл». 

Как отмечает исследователь, сейчас технологии так быстро развиваются, что ежегодно появляются потребности в кристаллах с какими-то новыми свойствами. Появляются целые новые области. «Например, все знают машины, которые ездят на батарейках. В какой-то момент стоял вопрос: а где взять такие батарейки, из чего их сделать, ведь там – в ядре, в сердце этой батарейки тоже находится кристалл? И что сделать, чтобы они могли выдавать такие мощности, на которых мог бы не только телефон работать, но и автомобили ездить? И таких задач очень много», - говорит Павел Гаврюшкин. 

Его команда создает, рассчитывает новую структуру необходимого кристалла теоретически. «Мы говорим: кристалл такого-то состава, с таким-то положением атомов будет обладать нужными свойствами. А дальше – большая и очень тяжелая работа, как этот кристалл создать практически. Это уже делают экспериментаторы. Хорошо получается, когда экспериментаторы работают в тесном сотрудничестве с теоретиками, потому что по ходу эксперимента возникают различные нюансы. Например, выясняется, что точно такое, как рассчитали, нельзя сделать, но можно сделать чуть иначе. Хорошо, говорим мы, давайте посмотрим, или давайте сместим несколько атомов, и посмотрим, насколько это отразится на свойствах материала. Хорошо отразилось - тогда давайте работать в этом направлении», - поясняет ход научного процесса исследователь. 

На самом  деле, подчеркивает он, это все огромные и очень серьезные задачи: «Не зря же говорят: внедрение новых технологий. То есть, это какое-то сопротивление среды, что-то, что нужно сделать с усилием. И это сопротивление приходится преодолевать и на уровне теории, и потом, конечно, на уровне эксперимента». 
Наука, рассказывает  Павел, нацелена на дальние перспективы, на то, какие материалы в будущем смогут «сработать». 

Фото: Сиб.фм

 

Когда-то, напоминает ученый, казались чем-то невозможным полупроводники и сердца наших ноутбуков – кремниевые кристаллы, которые потом революционно изменили технологию. 

В Новосибирске, по словам Павла, очень сильная группа по синтезу лазерных кристаллов. Сейчас лазерный луч делает очень много всего. Он режет металлы, считывает информацию, Мы подходим к эре, говорит ученый, когда, наверное, появятся квантовые компьютеры. Пока что они в состоянии младенца. Такие компьютеры, которые занимают огромное количество места, охлаждаются жидким азотом или гелием и работают на уровне калькулятора. Пока это нечто сравнительно бессмысленное, но они уже есть. Это новая технология, где информация обрабатывается лазером. Такие компьютеры, если их сделают, будут гораздо мощнее нынешних. А лазерный луч преобразовывается с помощью кристаллов. 

Лазерные кристаллы используются и в разного рода томографии, в датчиках при поисковых, в том числе, при геологических работах. И под каждую цель нужен свой кристалл. Над поиском оптимальных решений и трудится группа Павла Гаврюшкина. 
Рассказал исследователь и еще об одном очень интересном направлении, над которым сегодня работают ученые: «Водородная энергетика потихоньку выходит сейчас из  тени. На стадии разработок уже есть машины, которые ездят на водороде. В чем их преимущество? Мы все помним, что вода - это Н2О, соединение водорода и кислорода. В двигатель закачивают жидкий водород. Горение – это взаимодействие с кислородом. И из выхлопной трубы у нее летит экологичный продукт -  вода, а не СО2, который создает парниковый эффект и меняет климат.  

Водород получается из воды. Удастся ли так разлагать воду, чтобы это было сравнительно дешево? Получать водород, который может прекрасно соединяться с кислородом и возить автомобили, двигать энергетику и так далее - это вопрос. Для этого тоже нужны новые кристаллы. Для этого особенно нужно моделирование тех атомных процессов, которые будут происходить». 

Катодные материалы, основной рабочий элемент батареек – это тоже активная область, в которой ученые проводят исследования. По большому счету, по словам Павла, сейчас многие технологии ограничены возможностями батареек. 

«Телефоны наши работают все дольше, и это тоже технологии, которые появились в результате поиска новых кристаллов, которые могут работать в батарейках и превращать химическую реакцию в электрическую», - добавляет он. 

 

«Любое открытие начинает свое существование с состояния младенца. От младенца, на первый взгляд, нет никакой пользы. В него только нужно вкладывать время, силы и деньги. Но пройдет 15 – 20 лет, и когда он станет самостоятельным, он начнет приносить пользу. А вот стадия открытия, стадия работы – это как раз младенческое состояние проблемы, когда только вложение времени и сил. Но, если мы пойдем по правильному пути, этот младенец вырастет и, может быть, станет большим, сильным и улучшит нашу жизнь», - сравнивает Павел Гаврюшкин. 

А сил и настойчивости порой требуется, очень много. «Мы получаем что-то интересное. И мы понимаем: это надо пробовать, бороться и синтезировать. Дальше нужно найти людей, которые захотят этим заниматься. Потому что у всех есть свои задачи, проекты. Более того, на это нужно финансирование. Нужно  найти финансирование, нужно договориться с людьми, либо наоборот: сначала договориться, потом найти финансирование. И начинать этот путь, маленькими шажками идти от идеи до ее физического воплощения», - рассказывает ученый. 

«Моя мечта - пройти путь от теоретического предсказания до внедрения нового материала»

Павел Гаврюшкин философски замечает, что, по сравнению с количеством ученых, количество новых материалов очень и очень маленькое. И таких ученых, которые видели, как их гипотеза, их первый синтез прошли путь до непосредственно устройства, не много. «Поэтому моя мечта в науке – увидеть, если говорить в общем, приложение наших результатов, а, если конкретно – дождаться использования в практической жизни тех конкретных кристаллов, которые мы исследуем», - признается он. 
Для этого, считает ученый, нужна колоссальная устойчивость и колоссальная вера в себя: «Наверное, это для любого человека, который создает что-то новое. Источником этой устойчивости для меня является надежда на Бога. Это обращение душевное, которое собирает все силы и позволяет идти, даже когда уже надежды, на первый взгляд, нет. Это  - моя жизненная опора, мой жизненный стержень». 

А еще, наверное, помогает спорт. «Когда я был студентом, то серьезно увлекался греко-римской борьбой. Я много раз выигрывал университетские турниры, у меня даже была цель стать мастером спорта. Мастером я в итоге не стал, но кандидатом в мастера стал», - говорит Павел.

Фото: Сиб.фм

 

Он и сегодня продолжает ходить в спортзал. Теперь уже иногда – с маленьким сынишкой. 
«У кого есть маленькие дети, знают, что свободного времени у них не очень много. Так что, последние 5 лет у меня свободного времени практически нет», - с улыбкой отвечает ученый на вопрос о том, чем любит заниматься на досуге. 

Для успеха в науке, по его мнению, прежде всего, нужны интерес, желание заниматься наукой и настойчивость. А еще - готовность постоянно работать над собой, готовность взглянуть на мир по-новому. Впрочем, замечает Павел, успех может быть разный.

«Обычно, когда говорят о науке, представляют Энштейна, Менделеева и так далее. Но наука – это несколько миллионов людей. Есть огромное количество научных работяг, и я не могу сказать, что они не достигли успеха. Часто мыслится, что успеха достигли те, кто получил Нобелевские премии. Но это – вершина пирамиды. А у каждого ученого есть свой успех, если он нашел то, что ему интересно, и, если то, чем он занимается, приносит пользу и ему, и окружающим людям», - заключает Павел Гаврюшкин.

 

Оцените материал
Оставить комментарий (0)

Топ-5 читаемых


Самое интересное в регионах