Геология — многогранная наука. Исследовать геологические объекты можно с различных сторон. Данные о них позволяют ученым отвечать на фундаментальные вопросы образования Земли и ее истории, объяснять химические и физические процессы, происходящие при образовании пород и минералов. Подходы к изучению природных материалов зависят от целей исследователя, от запросов и потребностей государства, экономики, производства. Помимо этого, исследование законов образования горных пород рождает собственную творческую научную мысль. Можно подсмотреть у природы, как она создает свой материальный багаж, а дальше создавать свои материалы с заданными свойствами. Старший научный сотрудник ИГМ СО РАН, доцент кафедры минералогии и геохимии ГГФ НГУ Павел Николаевич Гаврюшкин рассказал о своем пути исследователя и предстоящих научных проектах.
— Павел Николаевич, у Вас очень широкий круг научных интересов. Последние Ваши исследования связаны с созданием новых материалов. Расскажите, чем занимается ученый-материаловед?
— Вы знаете, в науке всё очень сильно зависит от конкретного человека. Двух одинаковых исследователей не бывает, ведь творческий путь ученого всегда зависит от его научной биографии. И, на мой взгляд, для такой обширной области как материаловедение — это особенно характерно. Каждый материаловед занимается немножко своим и немножко по-своему. Мой научный путь начался с экспериментальных исследований. Я занимался выращиванием кристаллов из растворов, немного поучаствовал в выращивании изумрудов, затем перешел в лабораторию, занимающуюся выращиванием оптических кристаллов из расплава, потом переключился на эксперименты при высоких давлениях. Таким образом познакомился с тремя основными методами выращивания технических кристаллов, и эти же методы используются для исследования того, как кристаллы образуются в природе. Основные мои научные интересы, были, конечно, связаны с высокими давлениями. Мы ставили эксперименты, где создаются давления, такие же, как во внутренних оболочках Земли: в земной коре, верхней и нижней мантии. Цель была — разобраться, какие трансформации происходят с минералами, когда они попадают в такие экстремальные условия. Вы же знаете, самая глубокая скважина находится на Кольском полуострове и её глубина — порядка 12 километров. При этом радиус Земли — почти шесть с половиной тысяч километров. Любопытно заглянуть и на глубину 300, 400, 500, 600 км и даже глубже! Один из вариантов, как можно это сделать — создать аналогичные давления и температуры в эксперименте и посмотреть, что происходит с минералами. Например, все со школы знают, что под давлением графит переходит в алмаз. Но это же характерно не только для углерода, но и для всех остальных элементов и соединений. Причём, некоторые из них подвергаются не одному, а доброму десятку переходов по мере увеличения давления, как например мой любимый карбонат кальция, который я активно исследовал последние годы
— Ваши исследования тесно связаны с IT-технологиями, при этом Вы сказали, что занимались экспериментом. Как Вы используете компьютерные мощности в своих исследованиях?
— Примерно с 2014 года я стал понемногу подключать к экспериментальным работам теоретические расчеты и сейчас занимаюсь преимущественно ими. И вы знаете, порой данные, которые можно получить с помощью расчётов, трудно отличить от экспериментальных. То есть, если поставить трудоёмкий и дорогостоящий эксперимент, то получатся ровно те же результаты, что и в сравнительно простых и недорогих расчётах. Так бывает, конечно, не всегда и я за объединение усилий расчётчиков и экспериментаторов. Это оптимальная стратегия как на пути получения новых материалов, так и на пути исследования глубинных оболочек нашей планеты.
Последние 10 лет IT-технологии испытывали бурное развитие, и мы все это наблюдали. Порой то, что пару лет назад казалось невозможным, сегодня нами воспринимается как абсолютно естественные атрибуты повседневной жизни. Аналогичные изменения происходили и в области исследования кристаллов. В результате развития IT, расчёты стали конкурентоспособными по отношению к экспериментам. Лично для меня это было основной мотивацией, потому что расчётные методы дают возможность быстро сориентироваться с методом исследования и позволяют прицельно бить экспериментом. Так вероятность попадания в цель оказывается существенно выше. Помимо этого, в расчётах можно создать такие давления, которые экспериментально достичь крайне трудно, а порой и невозможно. А ведь помимо того, что создать давления определенных значений, ученому нужно при этих величинах провести измерения. И не какие-нибудь измерения, а высокоточные и воспроизводимые. С помощь расчётов можно заглянуть и посмотреть в каком состоянии находится вещество в центре Земли, добраться до центров планет гигантов — и это не потребует больших усилий, нужно изменить лишь соответствующий параметр в алгоритме.
Расчёты в большинстве своём требуют использования суперкомпьютеров. Для расчётчика суперкомпьютер — это как реактив, колба, печка, пресс, скан и зонд вместе взятые. Экспериментаторам нужны приборы, геологам — УАЗики, молотки и аналитические методы, а расчётчикам нужны суперкомпьютеры. Радует, что с каждым годом расширяются возможности доступа к суперкомпьютерным мощностям. В частности — наш университетский кластер, на котором мы работаем, постоянно совершенствуется. Обещают, что скоро у нас появится суперкомпьютерный центр Лаврентьев, который будет на порядки мощнее. Сейчас, насколько я знаю, он находится на стадии проектирования. Ждём с нетерпением.
— Как расчетные эксперименты соотносятся с практическим результатом? Статистически теория подтверждается экспериментом?
— Это самый частый вопрос и какие ответы на него я только не слышал. И что «у расчётчиков всё так хорошо, потому что они все подгоняют под эксперимент», и что «ни один расчёт никогда не воспроизведёт реальный эксперимент, потому что там масса параметров, которые нельзя учесть». Звучало и прямо противоположное мнение: что «зачастую эксперименты нужны только для того, чтобы проверить контрольные точки, а так всё можно посчитать». Вообще всё зависит от типа эксперимента и типа расчёта. При исследовании фазовых переходов, как я сказал, действительно точность сопоставима с экспериментальной, но при этом пальма первенства переходит то к расчётчикам, то к экспериментаторам. Получат что-нибудь интересное экспериментаторы, и расчётчики тут же запускают десятки статей в том же направлении, указывая экспериментаторам куда нужно следовать. Или же наоборот — ученые получат интересный теоретический результат, и тут же экспериментальные коллективы по всем миру бросаются его проверять и в ходе экспериментов получаются новые данные, которые дают пищу для размышления расчётчикам. Приведу пример из своей практики: несколько лет назад мы сотрудничали с коллективом проф. Винклера (университет Гете во Франкфурте). По нашим расчётам при синтезе ортокарбоната стронция должен был неизбежно получаться и окси-ортокарбонат, а в опубликованных результатах о нём ничего не говорилось. Казалось бы — противоречие теории и эксперимента. Я написал проф. Винклеру и спросил — не наблюдали ли они каких-то дополнительных фаз [другой тип кристаллической решетки при тех же химических компонентах; прим. ред.] в эксперименте? Оказалось, действительно были какие-то слабые пики на спектрах [графики, по которым исследователи могут отслеживать изменение структуры и состава вещества; прим. ред.], но им не придали значения. Расчёты говорили, что если образец греть подольше, то количество окси-ортокарбоната увеличится. Был поставлен эксперимент с увеличенным временем нагрева. И что вы думаете — слабые пики выросли, образовался окси-ортокарбонат, и его параметры были точно такими, как предсказал наш расчёт. Теперь противоречия никакого не было. Конечно, так бывает не всегда и иногда приходится разбираться, почему в эксперименте получается не то, что в расчёте. Это сложная и интересная задача. Как бывшему экспериментатору мне такие задачи по душе, ставить только одни расчёты для меня немного скучно, и мы неизменно коллаборируемся с экспериментаторами.
— Помимо исследовательской деятельности вы преподаете в НГУ. Связана ли идея создания кристаллографических моделей с вашей научной деятельностью?
— Да, преподавание — это моя любовь. Преподаю я с 2009 года и до сих пор с вдохновением передаю свой опыт. Однажды преподаватель, который вел у нас математику в ФМШ, сказал мне, что «период полураспада преподавателя» — 8 лет. За это время ты либо выдыхаешься и бросаешь преподавание, или же остаёшься в нём навсегда. Тут как с экспериментами: заниматься только наукой для меня скучно, хочется делиться знаниями, общаться с подрастающим поколением.
Здесь не могу не рассказать о нашем проекте по 3D-печати кристаллических структур. Три года подряд мы выигрывали гранты фонда Владимира Потанина для развития этой тематики. А конкуренция там высокая, доходит до 15 проектов на место. В результате мы разработали новую простую и доступную технологию печати кристаллических структур, которую я использую в своём курсе. Сейчас мы создаём открытую базу данных таких структур, которой могут пользоваться преподаватели по всей России. Думаю, что она будет интересной и школьным учителям, и руководителям музеев. И это не просто мои мечты. Изготовленные по нашей технологии модели уже стоят в образовательном центре Эволюция Земли (НГУ). Причём, к нам обратились с просьбой сделать такую экспозицию. И мы решили эту сложную технологическую задачу — как можно такие модели сделать.
Иногда я жалею, что на преподавание остаётся не так много времени, всё-таки основная наша деятельность — это научные исследования.
— Какие актуальные направления Вы сейчас исследуете?
В последние годы я сосредоточился на двух основных направлениях — карбонаты в условиях экстремальных давлений и температур, и новые материалы. В частности, в рамках проектов РНФ мы участвовали и участвуем в поиске новых двумерных материалов — это молодая и очень активно-развивающаяся научная область (проекты №№ 21-73-20183 и 23-13-00117). Многие считают, что на этом фронте может произойти технологический прорыв, в частности, — в поиске термобарьеров, которыми покрывают лопатки турбин, чтобы они не перегревались и позволяли развивать более высокие мощности и демонстрировать больший срок службы. Сейчас наш проект по поиску новых материалов, работающих в ИК-диапазоне на рассмотрении. Причём этот проект мы подали совместно с экспериментаторами и планируем не только предсказывать, но и синтезировать. Надеюсь его поддержат.
Материал подготовлен пресс-службой ИГМ СО РАН
