Недавно Академгородок посетил один из выдающихся ученых современности, доктор технических наук  Артем Оганов. Артем Ромаевич занимается многими научными областями: кристаллографией, химией, физикой, материаловедением. В череде его профессиональных достижений особо выделятся одно: именно А.Р. Оганов является автором повсеместно используемого эволюционного метода предсказания кристаллических структур. О том, что это такое и как им пользоваться, ученый рассказал в своей открытой лекции, прошедшей в НГУ.

Как известно, получить новый материал очень сложно. До недавнего времени в науке существовало два способа открытия новых материалов. Первый – классический метод проб и ошибок. Исследователи упорно трудятся, пробуют разные компоненты в разных пропорциях и в разных условиях, но, как правило, ничего стоящего у них не получается. И так они пробуют дальше, попытка за попыткой. Второй путь – между прочим, наиболее частотный – случайность. Есть множество историй, когда в поиске чего-то одного (например, лекарства от стенокардии и гипертонии) люди находили что-то совершенно другое (например, виагру).

Безусловно, исследователи, которые этим занимаются, заслуживают бесконечного уважения, поскольку именно благодаря их работе мы имеем чуть ли не все современные технологии, но факт остается фактом: строго говоря, ни один из этих способов нельзя назвать научным.

Можно ли новый материал получить нажатием одной клавиши на компьютере? А вот теперь можно. И даже нужно во имя экономии времени и человеческих сил.

Знание структуры материала чрезвычайно важно, поскольку большинство физических свойств материала напрямую (или почти напрямую) с ней связано. Конечно, есть некоторые характеристики, который объясняются дефектам кристаллической структуры, но ведь дефекты сами по себе тоже являются частью структуры.

Ранее считалось, что структуру вещества невозможно предсказать. Почему? А потому, что понадобится невероятное количество времени. Например, вы ищете наиболее устойчивую структуру, следовательно, вам нужно рассмотреть все возможные расположения объекта в пространстве, каким-то образом дискретизировав задачу. Если посчитать число возможных вариантов структуры, то окажется, что оно астрономически велико. Для десятка атомов элементарной частицы вам придется ждать около тысячи лет, пока расчет закончится. И даже если мощность компьютеров вырастет в триллион раз, в чем, честно говоря, уверенности нет, данная задача останется нерешаемой.

Но здесь есть один подвох. Вышеперечисленные заключения основываются на допущении, что вам нужно проверить все возможные варианты устройства структуры. Но на самом деле требуется лишь найти быстрый путь к оптимальному решению. Не нужно «прощупывать» все варианты, достаточно просчитать дорогу от некоего старта до оптимума. Проще говоря, нужно проводить постепенное сужение области поиска. Когда вы ищете адрес НГУ, вы же сразу смотрите в Новосибирске, а не просматриваете сначала все континенты, страны и города. Так же и действовать следует и здесь.

Философия эволюционного алгоритма заключается в том, что он постоянно пытается уточнить наиболее перспективную область, с каждым шагом фокусируясь все больше и больше. Это расчет, который учится на своих ошибках и таким образом определяет правильный путь.

Эволюционные алгоритмы обладают способностью, не ориентируясь на наши предпочтения, на наш образовательный уровень или воображение, целиком автоматически находить правильные решения, даже если последние противоречат интуиции исследователей.

Итак, как же происходит определение структуры?

«Мы начинаем с того, что производим несколько структур случайно, рассчитываем их энергию. Менее устойчивые структуры мы «убиваем», а из более стойких делаем «детей». Берем случайно подобранных родителей, вырезаем из них куски, сшиваем, делаем разные мутации.  Расчет начинается с плохо упорядоченных структур, затем компьютер уже приводит все в порядок. Он знает только алгоритм и законы квантовой механики. Но все в итоге получается. Часто в ходе своих подсчетов мы находим что-нибудь странное, но потом экспериментальным путем все подтверждается, – рассказал А. Оганов. – Кроме того, мы научили метод не только определять кристаллическую структуру по химическому составу, но определять и устойчивый химический состав. Исследователю достаточно дать названия элементов, который он хочет соединить, а компьютер, поразмыслив, выдаст и формулу, и структуру».

Когда работа А. Оганова и его коллег была опубликована, многие исследователи не верили в замысле проекта. «Честно говоря, поначалу мы и сами не верили, что у нас получится создать такой алгоритм. Просто хотели только маленькую программу исключительно для собственных нужд. Но теперь программа USPEX (прим.: Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) используются по всему миру», – отметил ученый.

Маргарита Артёменко

«В этом году «Технопром» проходит в третий раз, это молодое мероприятие, но нужно отметить, что в России он единственный, посвященный технологическому развитию, — отметила помощник губернатора Новосибирской области по вопросам образования, науки и инноваций Марина Ивановна Ананич. — Мы будем искать точки роста, и они невозможны без серьезной фундаментальной науки. В частности, на форуме ожидается демонстрация около 70 разработок 15-20 институтов. Будут представлены медицинские, аддитивные и биотехнологии, фотоника, металлообработка».

«Как правило, реальные приборы везти достаточно сложно, но, конечно, покажем и их, — улыбается главный специалист по выставкам Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН кандидат физико-математических наук Николай Борисович Придачин. — Например, образцы нанотранзисторов, быстродействие которых исчисляется в терагерцах. На основе этих элементов создан нанотранзистор фемтомольной чувствительности, восприимчивый к молекулам органики. Дело в том, что его размеры достаточно малы, чтобы из-за одной частицы, сорбирующейся на затворе, сильно поменялись характеристики. Таким образом мы можем провести, допустим, анализ крови или ДНК».

Ученые ИФП СО РАН показывают новейший электронный микроскоп, несколько лет назад пополнивший приборную базу института и Центра коллективного пользования «Наноструктуры». Этот прибор имеет очень высокую разрешающую способность, а также включает в себя спектрометры для анализа рентгеновского излучения и характеристических потерь энергии электронами (это позволяет проводить локальный химический анализ элементов). Изображение выводится через камеры на компьютер, а при наличии скоростного интернета все исследования можно проводить из любой точки мира: оператор только загружает объект, а управление может проходить дистанционно.

 Кроме того, на форуме будут представлены установки для молекулярно-лучевой эпитаксии, которые уже стали «визитной карточкой» ИФП СО РАН — их создано больше 100, и они работают во многих городах мира. В качестве еще одной установки Николай Придачин назвал медицинский матричный тепловизор: его чувствительность составляет семь милликельвинов, он способен уловить даже колебания атмосферы при почти комнатной температуре. «Таких приборов тоже сделано около сотни, они стоят в различных клиниках, в том числе, в Новосибирске», — говорит ученый. На базе этого же тепловизора создан еще и микроскоп, позволяющий рассматривать нанообъекты, отмечая, где идет выделение тепла, что, по словам Николая Придачина, очень важно для прогнозирования работы микросхем.

Если говорить о таком направлении, как освоение северных территорий страны, то здесь ИФП СО РАН предлагает компьютерный стенд, который способен контролировать работу трубопроводов (в частности, несанкционированный отбор сырья или образовавшуюся пробку), с высокой точностью.

Арктической темы касается и одна из технологий, предложенных Институтом лазерной физики СО РАН: лазерно-плазменная наплавка антикоррозионных покрытий. Она будет применяться  для защитной обработки поверхности труб, включая магистральные газо-и нефтепроводы. Кстати, в настоящее время этим активно интересуется Китай, планируя заключить с ИЛФ контракт.

Заведующий лабораторией мощных непрерывных лазеров ИЛФ СО РАН Геннадий Николаевич Грачёв поясняет: «В институте лазерно-плазменное направление активно разрабатывается последние 10 лет. Одно из применений  — когда мы зажигаем лазерную плазму на поверхности с помощью множественных импульсов, осуществляя модификацию поверхности или азотирование. Эта технология применяется для упрочнения деталей, работающих в экстремальных условиях, например, деталей двигателей внутреннего сгорания, и позволяет на порядок увеличить срок службы, уменьшить износ  и трение. Разработки уже предполагаются для внедрения в производство локомотивов для «Российских железных дорог», автомобилей КАМАЗ и так далее».

Кроме того, ученые ИЛФ СО РАН научились синтезировать сверхтвердые покрытия на сталях и сплавах (использование такого напыления на простых победитовых резцах позволило увеличить их ресурс в 2,5-3 раза), а также углеродные наноструктурированные покрытия на цветных металлов (что поспособствует созданию аккумуляторов и конденсаторов сверхвысокой емкости, причем, в 10 раз легче, чем существующие).

«В прошлогоднем «Технопроме» мы представляли наши проекты, касающиеся разработки и создания макетов оптических фемтосекундных часов, использование которых в системе ГЛОНАСС позволит определять в режиме реального времени координаты, местоположение объекта с точностью лучше, чем в 1 сантиметр», — комментирует заместитель директора ИЛФ СО РАН кандидат физико-математических наук Владимир Иванович Денисов.

Владимир Денисов: «Если бы в момент Большого Взрыва запустили бы наши часы, то к сегодняшнему дню они бы отстали на 1 секунду».

Ведущий сотрудник ИЛФ кандидат физико-математических наук Владимир Иванович Трунов показывает на сложную конфигурацию приборов, находящуюся за стеклом, в чистом помещении: «Здесь мы развиваем мощную лазерную систему на основе параметрического усиления — это один из принципов получения мощных фемтосекундных импульсов. Если говорить о фундаментальном значении работ, то существует несколько пределов интенсивности излучения, при достижении которых можно наблюдать много интересных явлений. В качестве приложений можно назвать созданный в результате сотрудничества с Институтом оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН (Томский научный центр) лидар — в отличие от традиционных, он позволяет одновременно диагностировать большое количество разнообразных примесей в воздухе».

Еще одно применение — это использование таких мощных систем для ускорения заряженных частиц. «Это могут быть электроны, в дальнейшем — протоны и даже ионы, — комментирует Владимир Трунов. —  Здесь мы работаем с Институтом ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. Самое любопытное, в отличие от ускорителей огромного диаметра, здесь, в этой комнате, можно получить частицы с соизмеримой энергией. Правда, у них меньший заряд, но, например, для адронной терапии раковых опухолей его вполне достаточно».

Заместитель директора Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН доктор физико-математических наук Анатолий Митрофанович Оришич предложил подумать над вопросом: какое отношение лазер имеет к авиации?  

«Самое прямое!» — восклицает ученый. Дело в том, что, как известно, все самолеты делаются методом заклепок: к сожалению, до сего дня не изобретено способа сварки алюминия так, чтобы прочность шва была равна прочности основного металла. «Если бы нам удалось это сделать, то экономия составила бы до одной трети», — говорит Анатолий Оришич. Шанс есть у лазерной сварки (вот и лазеры!). В ИТПМ СО РАН уже решили задачу для титана, но с алюминием есть ряд проблем. «С бытовыми сортами мы работаем успешно, а вот с особенным авиационным сплавом — нет», — отмечает исследователь.

Еще одно актуальное для сегодняшнего дня направление — аддитивные технологии «Как делается любая деталь? Сначала берется большой кусок, отрезается все лишнее. А можно взять порошок и с нуля вырастить объект с нужными нам размерами, — объясняет Анатолий Оришич. —Мы ввели термин микрометаллургия:  берем маленький объем сырья, варим нужный «суп» (у нас есть «ноу-хау» в виде добавления нанопорошков), а потом создаем нужную деталь. Это нужно и в сварке, и в наплавке».

ИТПМ СО РАН участвует в разработке перспективного пилотируемого транспортного космического корабля, который должен прийти на смену «Союзу».  Он планируется бОльших размеров, с элементами мягкой посадки и возможностью компенсировать снос с помощью специальных двигателей.

Кстати, по словам Марины Ананич, в настоящее время идет очень серьезная работа над приглашением на «Технопром» нобелевского лауреата Амано Хироси. «Первое его пожелание  —встретиться с руководством и учеными ИФП СО РАН, так как у них близки научные направления, —прокомментировала  помощник губернатора НСО. — Возможно, у них получится совместное исследование и сотрудничество».

Прошедший 23 апреля круглый стол в Пресс-центре ТАСС (Новосибирск) еще раз подтвердил, что Россия – страна парадоксов, и умом ее не понять. Мероприятие было посвящено использованию промышленных ускорителей, выпускаемых Институтом ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. Рассматривались конкретные способы использования подобной техники в различных хозяйственных сферах – от производства новых лекарственных препаратов и новых материалов – до обеззараживания промышленных стоков.

Надо сказать, что промышленным ускорителям прочат большое будущее. С ними связывают чуть ли не целую технологическую революцию. И вот здесь-то мы и сталкиваемся с упомянутым парадоксом. Выясняется, что наши ученые в состоянии создать современное оборудование, определяющее технологии будущего, однако по части его использования мы плетемся в хвосте, как будто в стране нет никакой нормальной науки.

Наверное, немногие в нашей стране знают, что ИЯФ СО РАН является бесспорным мировым  лидером по производству промышленных ускорителей. Удивляться в данном случае плохой осведомленности российских граждан не приходится, поскольку на нашей жизни такие достижения практически не сказываются. Отечественная промышленность подобную «прорывную»  технику пока еще не оценила по достоинству. Чего не скажешь о зарубежных странах, где продукция нашего Института пользуется большим спросом.

За период 1974 – 2014 годы ИЯФ СО РАН произвел более 220 промышленных ускорителей. Как вы успели заметить, их производство началось еще в советские годы, естественно – по заданию «партии и правительства». И справедливости ради надо сказать, что до 1991 года подобная продукция использовалась преимущественно в собственной стране.

Например, в 1980-е годы как раз с помощью промышленного электронного ускорителя была решена экологическая проблема в Воронеже. Из-за ядовитых отходов производства синтетического каучука были сильно заражены грунтовые воды, что фактически поставило под угрозу водоснабжение миллионного города. Воду приходилось забирать за 150 километров от городской черты! Однако благодаря созданной системе водоочистки проблема была успешно решена примерно за четыре года. В противном случае нас ждала бы самая масштабная экологическая катастрофа на русском Черноземье.

Короче говоря, в советские годы промышленные ускорители находили достойное применение внутри страны. ИЯФ СО РАН выпустил их в то время порядка 90 штук. Ситуация, как мы понимаем, резко поменялась с 1991-го года. Сегодня, по словам советника РАН Геннадия Кулипанова, главными покупателями промышленных ускорителей ИЯФ СО РАН являются: Китай, Южная Корея, Япония, США, Германия, Польша. В Китай поставлено уже более 70-ти таких установок, в Южную Корею – более тридцати. На одном китайском заводе работает одиннадцать промышленных ускорителей, созданных сибирскими учеными! В настоящее время уже обсуждается контракт на поставку сразу двадцати четырех ускорителей для одного предприятия. В Китай, разумеется.

Как мы понимаем, те же китайцы в состоянии чисто «партизанскими» методами освоить выпуск подобной техники и отказаться от ее закупок. Тем не менее, наши ученые не намерены сидеть сложа руки и терять свою долю рынка. «Несмотря ни на что, - уточняет Геннадий Кулипанов, - мы поддерживаем наш рынок не за счет продажи патентов на производство, а за счет улучшения качества собственной продукции, за счет увеличения надежности и расширения ассортимента».

Иначе говоря, наши ученые стремятся, по мере возможности, что называется, держать марку и сохранять лидерство. Вопрос в том, насколько это возможно в условиях, когда их достижения не пользуются спросом в собственной стране?

Думаю, не нужно напоминать, что в условиях конкуренции необходима широкая демонстрация практического использования продукции такого рода. А как быть, если она используется в основном за рубежом? При указанных обстоятельствах любое изобретение, любая разработка, любая технология в конечном итоге находит себе «прописку» именно там, где имеется опыт ее всестороннего применения.

Иными словами, наше лидерство в области производства промышленных ускорителей пока еще условно. Абсолютным оно может стать только когда, когда у нас в стране такие установки начнут закупать десятками и сотнями. Почему же этого не происходит?

Лично для меня ответ лежит на поверхности – неспособность руководителей предприятий и разного рода «ответственных работников» оценить реальные технологические тренды. Говоря по-простому, причина коренится в недостаточной образованности и в консерватизме. Промышленный ускоритель, конечно же, стоит дорого. Но что означает эта дороговизна? Ведь и компьютер стоит намного дороже, чем ручные счеты, которыми когда-то оперировали продавцы, бухгалтеры и даже экономисты. Но представьте сегодня бухгалтерскую контору без компьютера, с ручными счетами. И представьте себе руководителя, который заявит, что он не готов оснастить своих работников современными электронными машинами потому, что они де слишком дороги. Представили? А теперь подумайте, в каком месте окажется такая контора? Понятно, что на обочине.

То же самое касается современных предприятий. Если наши производители отказываются от прорывных технологий, связанных с теми же промышленными ускорителями, что же тогда ждет эти предприятия, куда пойдет наша промышленность, наша экономика? Понятное дело, что в мировой конкуренции нас ждет проигрыш. И тот факт, что Россия держит лидирующие позиции по выпуску инновационного оборудования, ничего не изменит. Ведь, по сути, получается, что достижения наших ученых используются сегодня на благо иностранного производителя. Именно он, иностранный производитель, получает конкурентные преимущества благодаря внедрению передовой техники, над которой трудились лучшие умы нашей страны.

По мнению Геннадия Кулипанова, отечественных производителей необходимо убеждать, необходимо делать так, чтобы они с доверием отнеслись к тому, что создается в стенах научных учреждений. В частности, чтобы они поверили в преимущества использования промышленных ускорителей. Да, доля истины в этом есть – убеждать надо. Но вот вопрос: почему, в таком случае, не приходится убеждать китайских производителей? Почему они так живо интересуются нашими разработками? К сожалению, внятного ответа на эти вопросы мы еще не получили. 

Олег Носков

Ученые планируют расширить территорию поиска останков динозавров в районе села Шестаково Чебулинского района Кемеровской области. Это должно помочь в установлении причины гибели группы пситтакозавров сибирских, обнаруженных здесь в 2014 году.

Как сообщила "РГ" директор Кемеровского областного краеведческого музея Ольга Феофанова, очередная экспедиция в Шестаково намечена на 1 июня - 20 августа 2015 года.

- Мы будем работать на двух площадках: там, где работали прошлым летом, будем снимать грунт, которым территория была засыпана для сохранности. А вторая площадка - Шестаковский Яр. Это возвышение на берегу реки, где идет обрушение почвы и, возможно, ценного материала, - рассказала директор музея.

Обнаруженные в прошлом году останки десяти пситтакозавровсибирских, по мнению экспертов, - находка действительно уникальная. Как уникален и сам факт скопления такого количества особей на небольшой территории - чуть больше двадцати квадратных метров.

Старший научный сотрудник Палеонтологического института им. А. А. Борисяка РАН Евгений Мащенко уточнил, что там встречаются особи длиной от 35 сантиметров до 2,5 метра.

-Это подтверждает, что животные жили группами, состоящими из разновозрастных особей. Скорее всего, семейную группу настигла какая-то катастрофа, и они все погибли. Возможно, утонули. Но это была смерть именно в том месте, где они жили, потому что скелеты лежат очень компактно, в линзе размером четыре на полтора метра и мощностью около 70 сантиметров, - сказал ученый.

Что именно привело к гибели "семейство" пситтакозавров, как раз и предстоит выяснить.

Справка "РГ"

Шестаковский комплекс стал известен в середине XX века. За десятки лет там были найдены останки восьми динозавров - от мелких хищников до 30-метровых зауроподов. Но полные скелеты пситтакозавров сибирских, так называемых "ящеров-попугаев", находка наиболее ценная. Эти представители доисторической фауны обитали 125 миллионов лет назад лишь на территории современного Кузбасса.

Все обнаруженные до недавнего времени останки вывозились за пределы Кемеровской области, поскольку исследования проводили ученые из Новосибирска, Томска и Москвы. И лишь в конце 2013 года лицензию на проведение палеонтологических раскопок в районе Шестаково впервые получил Кемеровский областной краеведческий музей, который летом 2014 года провел там масштабные работы.

Проводимая реформа Академии наук часто вызывает нарекания со стороны научного сообщества: в ходе ее чиновники пытаются «оптимизировать» процессы, в которых недостаточно разбираются, что приводит к обратным результатам. Но все ли нововведения плохи? С этого года анонсировано внедрение новых структурных единиц – Федеральных исследовательских центров (ФИЦ). Один из них, на базе Института цитологии и генетики (ИЦИГ) и Сибирского НИИ растениеводства, создается в Академгородке. Зачем понадобилась такая реорганизация и чем будет заниматься новый ФИЦ, мы попросили рассказать заместителя директора ИЦиГ СО РАН Сергея Лаврюшева.

– Новая форма – ФИЦ – позволяет объединить в рамках одной организации и фундаментальную науку, и прикладные исследования, и работу по внедрению полученных результатов, и, даже, образовательную работу по подготовке молодой смены научных кадров. Такая система «всё включено», в рамках которой возможна реализация научно-исследовательских проектов полного цикла. Для нас это оказалось оптимальным вариантом, поэтому мы включились в этот процесс одними из первых.

– А почему многие из ваших коллег по Академии наук отнеслись к этой новации с прохладцей?

– Потому что создание ФИЦ означает, что в сложившийся научный коллектив войдет большое число новых сотрудников, многие из которых будут заниматься вещами, далёкими от фундаментальной науки. И это вызывает у научных сотрудников определенную настороженность. ИЦиГ СО РАН в этом плане было проще, чем многим другим институтам: мы изначально были многопрофильным институтом, ориентированным на прикладные разработки и их внедрение: новые сорта зерновых культур, породы домашних животных, новые лекарственные препараты. Плюс, у нас существует достаточно мощная аспирантура.

Можно сказать, что мы уже были потенциальным ФИЦ. И потому реорганизация не сильно изменит нашу текущую работу. Разве что, наоборот, упростит некоторые вещи. Теперь нам будет проще получать заказы на определенные работы от других органов федеральной власти. А значит, наш бюджет и ресурсы для научной работы увеличатся.

– Но такое положение вещей далеко не во всех институтах. Как, по Вашему, будет развиваться ситуация?

– А всем и не надо преобразовываться в ФИЦ. Существует несколько новых структурных видов научных организаций. Помимо ФИЦ, это будут Национальные исследовательские институты (НИИ), которые станут заниматься исключительно фундаментальной наукой. Разработку и научное сопровождение при внедрении новых критически важных технологий поручат Федеральным научным центрам. А Региональные научные центры (РНЦ) займутся решением задач, которые имели географическую локализацию. В принципе, структура получается логичная. И если процесс реорганизации не затянется и будет проходить в соответствии с заявленными принципами, то он пойдет на благо.

– Возвращаясь к создаваемому ФИЦ «Институт цитологии и генетики». Вы отметили возможность реализации проектов полного цикла.  О каких конкретно проектах идет речь?

– Их у нас сразу несколько. Первый - «Молекулярные биотехнологии» - предполагает создание опытных производств, на которых будут выпускать целевые продукты с высокой добавочной стоимостью из возобновляемых растительных ресурсов. Второй проект предполагает внедрение технологий геномной селекции в практику отечественного животноводства с учетом климато-географической специфики территории России. Результатом станут новые, улучшенные породы скота, выведенные специально для Сибири. В рамках третьего проекта будет проводиться большая работа по изучению генетических патологий человека на специально выведенных лабораторных животных. Реализация данного проекта позволит сделать Новосибирск центром доклинических испытаний фармацевтических препаратов. Это, как понимаете, хорошо и для экономики города. Еще один проект состоит в разработке генетических технологий и получения с их помощью новых высокопродуктивных и стрессоустойчивых сортов хозяйственно-ценных растений. Так что задачи перед нашим коллективом стоят очень серьезные, но ИЦИГ (как и СО РАН в целом) не привыкать к выполнению работ такого масштаба.

Записал Георгий Батухтин