Кибернетика и теплофизика. Казалось бы, это две разные области знаний. Однако на практике, как выясняется, между ними есть точка соприкосновения. А именно – современные электронно-вычислительные машины, где без специалистов по теплофизике дело не обошлось.

Наверное, наши ученые,  занимаясь вопросами теплообмена, причем в те годы, когда кибернетику официально объявляли «лженаукой», и не подозревали, что закладывают теоретический фундамент для решения тех задач, что стоят перед разработчиками компьютеров. Невероятно, но это именно так! Вопросы теплофизики коснулись не только энергетических систем, но и вычислительной техники. Мало того, именно сейчас от специалистов по вопросам теплообмена зависит, по сути дела, дальнейшее совершенствование «числогрызов».

Можно удивиться, но в микроэлектронике мы сталкиваемся с такими же процессами интенсивного выделения тепла, как это, например, происходит при работе ракетного двигателя! Компьютерные процессоры обладают очень высокой теплоотдачей. И чем мощнее компьютер, тем, соответственно, теплоотдача выше. Перед учеными и разработчиками, таким образом, встает проблема эффективного отвода этих интенсивных потоков тепла. В противном случае процессор «накроется» от перегрева. Причем, чем миниатюрнее становится техника, тем сложнее становится задача. Одно дело, когда вы конструируете огромный «шкаф» весом в тонну, другое дело – компактное устройство. Тенденция к миниатюризации, к снижению веса технических устройств – это, как мы знаем, есть черта прогресса.

Шутка ли – в настоящее время создаются чипы, в которых плотность теплового потока достигает одного киловатта на квадратный сантиметр! Это соответствует максимальной мощности кухонной плиты или «навороченного» электрочайника. И такое тепло, отметим, выделяется в маленьком компьютере с одного квадратного сантиметра.

 Подобные электронные устройства, надо сказать, уже работают. И именно проблема охлаждения является здесь главной проблемой, сдерживающей в настоящее время развитие микроэлектроники. Поэтому не будет преувеличением сказать, что будущее таких систем зависит сейчас не от электронных инженеров, а от инженеров-теплофизиков. Сумеют они решить эффективно эту задачу – электроника будет развиваться и дальше.

Над этой задачей сейчас работают специалисты лаборатории интенсификации процессов теплообмена в Институте теплофизики СО РАН. Как мы уже об этом писали ранее, эта лаборатория была создана в середине 1980-х, когда советское правительство пыталось дать свой ответ американской программе «звездных войн». Для реализации программы требовался мощный компьютер, где, естественно, проблема охлаждения была одной из самых важных. Советскому Союзу, понятное дело, потребовался точно такой же «числогрыз». А для его создания потребовалось напрячь не только электронщиков, но и теплофизиков.

Примечательно, что в Институте теплофизики к тому времени уже фактически сформировалась своя школа для исследования так называемых процессов с фазовыми переходами  (самый простой пример – это процесс кипения и испарения, когда происходит перенос большой массы тепла). Основоположником здесь был сам Самсон Кутателадзе, занимавшийся подобными исследованиями еще с 1930-х годов. Можно сказать, что в Советском Союзе он был первым, кто проводил такую научную работу.  Именно Кутателадзе предложил критерии, определяющие соотношение процессов с фазовым переходом и теплопроводностью. Его вклад в развитие данных тем получил международное признание.

Один из таких процессов – это процесс испарения тонких пленок жидкостей. На сегодняшний день данные исследования как никогда актуальны для развития техники, в том числе – для микроэлектроники. Как объяснил заведующий лабораторией интенсификации процессов теплообмена Олег Кабов, «постепенно все известные технологии – где это только  можно будет сделать – будут переходить от процессов кипения в объеме к пленочным течениям. Потому что пленочные течения, при очень небольшой массе компонента создают огромную поверхность. И с этой поверхности происходит массовая отдача тепла».

В качестве простейшего примера Олег Кабов приводит сахарное производство. Когда-то, еще лет сто назад, сахарный раствор  кипел в больших баках и там же остывал. Теперь его охлаждают, создавая тонкую пленку стекающей жидкости.

Если обратиться к электронике, то бак с охлаждающей жидкостью был когда-то привычным конструктивным элементом для первых суперкомпьютеров, применявшихся в военных целях. Сейчас ученые ищут более эффективные подходы к охлаждению процессоров, где как раз процессы испарения тонких пленок жидкости будут играть решающую роль. Правда у тонких пленок есть один существенный изъян – они подвержены разрывам. И если происходит разрыв, то, разумеется, меняется теплоотдача, меняется качество продукта. И эта проблема – проблема разрыва – до сих пор еще не решена. Занимаются ей сейчас ученые во многих странах. В том числе – и в Институте теплофизики.

Нельзя сказать, что этой задачей раньше никто не занимался. Просто здесь есть свои сложности, для решения которых необходим серьезный фундаментальный задел. По сути дела такая работа обещает не только прорывы в области технологий, но и прорывы в области научных знаний. Исследуемые процессы зависят от многих факторов, причем происходят они на нано- и микроуровнях, для чего, в частности, необходимо применять методы молекулярной динамики. Здесь неизбежно возникают трудности как для теоретического анализа, так и для экспериментального.

С этими трудностями сегодня приходится справляться специалистам лаборатории интенсификации процессов теплообмена. Для решения указанных задач применяются соответствующие экспериментальные установки, которые, наверное, не снились их коллегам еще лет двадцать назад. Уровню решаемых задач точно соответствует уровень нового оборудования. И надо сказать, лаборатория имеет достаточно серьезное техническое оснащение, позволяющее нашим ученым, по крайней мере, идти нога в ногу со своими зарубежными коллегами.

Проблема в другом – наше государство теперь не особенно рвется давать ответы на вызовы со стороны своих зарубежных конкурентов. Во всяком случае, на практике. Ученые, по сути дела, осуществляют свою работу на чистом энтузиазме. Задачи от «партии и правительства» на разработку нового суперкомпьютера еще не поступало (вместе с адекватным финансированием, разумеется). Поэтому совершенно не известно, заинтересует ли кого-нибудь в руководстве страны результат их работы.

Олег Носков

Общественное обсуждение проходят проекты приказов об утверждении федеральных государственных образовательных стандартов начального, основного и среднего общего образования. Разработка новой редакции ФГОС связана с необходимостью приведения стандартов в соответствие с Федеральным законом «Об образовании в Российской Федерации», сообщается на сайте Минобрнауки России.

Обновленные ФГОС включают в себя требования к структуре образовательной программы, к кадровым, финансовым, материально-техническим и другим условиям реализации образовательных программ, а также к результатам их освоения.

Новый стандарт среднего образования включает также требования к развитию толерантности, знанию основ экологии, формированию антикоррупционного мировоззрения.

Большое внимание в обновленных федеральных государственных образовательных стандартах уделяется ориентации на развитие личностных характеристик обучающегося – современный выпускник должен не только получить знания по определенным предметам, но и сформироваться как полноценная, разносторонняя личность, способная принимать ответственные решения и самостоятельно развиваться.

Текст проектов приказов об утверждении федеральных государственных образовательных стандартов доступен на сайте regulation.gov.ru.

Нобелевский лауреат по химии Харольд Крото рассказал «Газете.Ru» о проблемах ученых, работающих в фундаментальной науке, прокомментировал нынешнюю политическую обстановку и то, как она может сказаться на российской науке, а также рассказал, зачем он писал Владимиру Путину.

— Вы получили Нобелевскую премию за открытие фуллеренов. Расскажите читателям «Газеты.Ru», что это?
— Фуллерен, по сути, одна из форм соединений углерода. Всего форм три — алмазная, графитная и молекулярная, которая как раз и называется фуллерен. Самый знаменитый фуллерен имеет 60 атомов углерода в своей структуре и визуально похож на футбольный мяч. Он был открыт мной и двумя моими коллегами в 1985 году во время опытов по созданию условий в углеродных звездах — небесных телах, где углерод создается путем синтезирования.

Кстати, весь углерод, содержащийся в наших телах, такой же, как в звездах.

В процессе экспериментов по испарению графита мы обнаружили, что фуллерены принимают такую форму абсолютно спонтанно. Кроме того, оказалось, что фуллерены обладают удивительной особенностью захватывать электроны. Ранее возможность их существования предсказали японские и советские ученые в 1970 и 1972 годах соответственно. И наконец, в 1990 году мы получили то, что хотели, и химия фуллеренов стала реальной. Шесть лет спустя мы с коллегами Керлом и Смолли получили за свое открытие Нобелевскую премию, поскольку это открытие ознаменовало создание новой области химии.

— Удалось ли найти прикладное применение фуллеренам? 
— Мне сложно сказать, потому что я работаю в фундаментальной науке. Я работаю над тем, что интересно мне, вне зависимости от того, как и где можно применять мои разработки и открытия. Мне интересно то, что нас окружает.

Я больше не работаю в области исследований фуллеренов, но я убежден, что им найдут применение при создании солнечных батарей и фотоэлементов нового поколения.

В целом знания о фуллеренах пригодятся при конструировании любого электронного или квантового прибора либо элемента. Кроме того, перспективы применения я вижу в медицине. Фуллерены могут быть полезны при создании противораковых препаратов. Уникальное свойство захвата электронов может быть применимо при лучевой терапии, а именно при детоксикации организма. Если захватить радиоактивный элемент в клетку фуллерена, то вполне можно снизить его пагубное влияние на организм или вообще вывести наружу.

— Над какими проектами вы работаете сейчас?
— Сейчас я завершаю работу над всеми своими исследованиями и в ближайшее время планирую уйти из науки. Я слишком долго работал, и у меня есть планы личного характера. Однако сейчас я все еще увлечен вопросом формирования той самой кристаллической решетки фуллерена — углерода-60. Каким образом она формируется, все еще непонятно, и вообще ее открытие было для нас полным сюрпризом.

В теорию мы заложили, что фуллерен формируется спонтанно, но я считаю, что это неочевидно.

Над этим вопросом я работаю в Университете Флориды с моими коллегами Аланом Маршаллом и очень способным студентом Полом Данком. Мы установили, что решетки фуллеренов состоят из более маленьких углеродных соединений. Моя задача состоит в определении того, как именно формируются молекулярные ячейки углерода. Мне кажется, меня еще ждет сюрприз.

— Вы приезжали на крупную конференцию по наноматериалам «Нано-2014», которая прошла в Московском государственном университете. Вы впервые в России?
— Я был у вас до этого всего трижды и все три раза на большой конференции по фуллеренам в Санкт-Петербурге. Я впервые в Москве, и по мне, это фантастический город с не менее фантастическими, благородными и интеллигентными людьми, но с невыносимой кучей пробок.
— Как ученый, работающий в фундаментальной науке, можете оценить, насколько сильна российская наука?
— Фундаментальная наука в России на очень хорошем уровне, но и тут существует проблема, которая так или иначе возникает у ученых по всему миру: от нас требуют открытий. Я, как ученый-фундаменталист, борюсь с этим давлением изо всех сил и поддерживаю тех, кому интересно заниматься наукой как таковой.

На фундаментальные исследования приходится всего 20% общего мирового бюджета, выделяемого странами на науку, при этом их вклад неоценим.

Проблема фундаментальной науки в том, что ученый никогда не сможет предсказать, пойдет ли эксперимент так, как говорит выстроенная им теория. Всегда нужно оставлять место сюрпризу, который может целиком перевернуть представление об исследовании и изменить правила игры.

— Видите ли вы пагубное влияние санкций в адрес России на науку?
— Я думаю, что то, что происходит, очень плохо. Во всех странах существуют экономические проблемы, и тем более когда экономика не очень сильна, как, например, в США или Великобритании, подобные санкции оказывают давление на обычных людей, требуя от них срочной демонстрации каких-то полезных результатов.

Существование науки в условиях санкций серьезно усложняется, поскольку, как я уже говорил, открытия происходят порой случайно.

— В январе вы вместе с актером Иэном Маккелленом выступили инициаторами отправки коллективного письма Владимиру Путину с требованием отмены закона, ущемляющего права членов ЛГБТ-сообщества. Почему вы? 
— Вы тоже об этом знаете? Это хорошо. Так вот мой друг Иэн Маккеллен — очень известный актер, с которым мы вместе учились в школе. Он считает важным общаться с молодыми людьми на эту острую тему. Когда он приехал к нам в Университет Флориды, мы обсуждали это, и самое интересное, что мне запомнилось после его визита, так это то, как он смог снизить уровень агрессии молодых ребят — не только по отношению к геям, а агрессии в целом. Меня это потрясло. Когда мы обратились к вашему президенту с коллективным письмом, мы хотели проявить солидарность с ЛГБТ-сообществом. Отношение к сексуальным меньшинствам не должно быть продиктовано законом, догмой или религией, ведь у некоторых из них это может быть генетическим сбоем, который от них не зависит. Необходимо объяснить, что это люди и отношение к ним должно стать ответственностью каждого человека. Россия не Уганда, где могут казнить за однополую связь. Ваша страна породила множество талантливых музыкантов, писателей, философов и ученых, и я очень разочарован, что уровень толерантности в России отстает от мирового.

Если вы хотите развить хорошую науку, вы должны рационально мыслить, если вы хотите вести успешную социальную политику, вы должны также мыслить рационально.

Одно без другого существовать не может.

С 23 по 27 июня 2014 года на территории Академгородка прошла девятая международная конференция «Биоинформатика Регуляции и Структуры Геномов\Системная Биология».  Биоинформатика – это совокупность актуальных методов исследования биологических систем и разработки соответствующих технологий. Находясь на пересечении различных научных сфер – таких, как информационные технологии, биология и медицина, биоинформатика объединяет специалистов разных областей. Чтобы познакомиться с проблематикой некоторых из них, мы решили побеседовать с председателем секции медицинской генетики, директором Института терапии СО РАМН Михаилом Ивановичем Воеводой.

- Михаил Иванович, расскажите, пожалуйста, подробнее о том, чему посвящена данная конференция.

- Конференция посвящена проблемам биоинформатики. Технологический прорыв обеспечил нас лавинообразным увеличением знаний для получения новых данных о генетических особенностях, предрасполагающих к заболеванию. В связи с этим на первый план выходит способность анализировать получаемую информацию, извлекать из неё те данные, которые представляют непосредственный интерес для решения актуальных задач, связанных с диагностикой заболеваний, с их профилактикой, с поиском новых лекарственных препаратов. В этом отношении конференция является особо значимой, поскольку представляет собой площадку для обмена информацией. С одной стороны, обмен мнениями происходит между экспериментаторами, которые получают данные о генетических особенностях популяции и о генетических факторах развития заболеваний. С другой стороны – между специалистами в области биоинформатики, без которых сейчас уже немыслимо анализировать такой огромный объем данных, который есть в этой области.

- Ведётся ли подготовка новых специалистов на территории Академгородка?

-  Безусловно. В НГУ есть очень мощная кафедра генетики, а также кафедра биоинформатики, и, конечно, в институтах есть соответствующие программы обучения.

- Какими научными проблемами занимаетесь Вы? Как Вы оцениваете положение данной научной сферы в Новосибирске и в России по отношению к мировой практике?

- Я занимаюсь проблемами генетики человека – если говорить ещё более конкретно, то проблемами генетики распространенных заболеваний. На сегодняшний день исследования в этой области связаны, прежде всего, с технической возможностью тонкого изучения генома у большого числа людей, а также обследования очень больших выборок данных.

Безусловно, в этой области мы очень отстаем от ведущих мировых центров, поскольку работы в этой области требуют анализа генома уже на уровне его прочтения – либо кодирующей части, либо всего генома. Выборки включают до нескольких тысяч образцов данных о конкретных людях.  Исследования такого масштаба в России на сегодняшний день практически не выполнялись.

Тем не менее, в Новосибирске в нашем распоряжении находится самый большой ресурс, пригодный для этих целей. Когда я говорю о ресурсе, я имею в виду банк биологических материалов жителей города Новосибирска, который включает несколько десятков тысяч образцов. И это тот размер, который сейчас считается необходимым для получения надежных выводов. Хотя у нас есть возможность проведения таких исследований, мы пока не имеем финансового обеспечения, достаточного для проведения анализа этих образцов на современном уровне.  Но я надеюсь, что скоро такая возможность появится.

- С кем сейчас ведется самое активное сотрудничество на международном уровне конкретно в лабораториях института терапии и ИЦиГа?

- Мы активно работаем с Англией в рамках крупных международных проектов, а также с Польшей, Чехией, Эстонией.

- Спасибо. А что можно сказать о доступности биоинформационных технологий? Применяются ли они широко в лечении или находятся в стадии разработки?

- Эти технологии ещё не используются широко в медицине, особенно, самые дорогие технологии – например, для полного анализа генома. В этой области не решено как раз множество биоинформационных проблем. То есть мы, анализируя данные организма даже одного человека, обнаруживаем огромное количество геномных особенностей, которые очень сложно или невозможно интерпретировать. Это и к вопросу выше о том, почему важна такая конференция по биоинформатике – это ещё и исследовательская фаза. Что касается применения этих знаний – всё-таки, в какой-то мере, для решения вопросов, связанных с охраной здоровья, такая возможность, безусловно, есть сейчас России и в Новосибирске.

- На что сейчас больше направлена работа в области биоинформатики – на создание новых технологий или на поиск каких-либо ещё неисследованных возможностей организма человека?

- Больше на выяснение генетических механизмов формирования и развития заболевания человека – в нашей ситуации, с опорой на данные об организме жителей России. Это работа основная. Работу сопроводительного характера прекрасно продемонстрировал этот форум. Он показал, как отрабатываются некоторые биоинформационные технологии.
 

- Хорошо, спасибо. И ещё, наверное, последний вопрос сегодня – ну, вопрос мотивации. Что побуждает людей-исследователей Вашей сферы заниматься этими вопросами?

- В двух словах не отвечу на Ваш вопрос. То же самое, что мотивирует всех ученых. Я думаю, это вот основной стимул.

Независимо от объекта, которыми они занимаются, это любопытство, это желание узнать новое – это, наверное, основная мотивация. Ну а следующим этапом, или следующим моментом, безусловно, является желание использовать полученные знания для решения каких-то проблем, связанных с улучшением различных аспектов жизни человека.

Мы конкретно, конечно, заинтересованы в том, чтобы эта информация о генетических особенностях или о генетических механизмах заболеваний как можно быстрее использовалась в диагностических целях, в целях лечения, усовершенствования методов лечения.

- Что нового можно привнести в следующую конференцию, посвящённую обсуждаемым проблемам?

- Всё развивается достаточно динамично и последовательно – я не думаю, что в формате конференции будут какие-то принципиальные изменения. Что касается тематики, то мы видим, что всё большее внимание уделяется вопросам так называемой системной биологии – вот на них мы сделаем акцент. То есть будем рассматривать анализ организма как единого целого с учетом всей имеющейся информации о конкретном человеке, включая, конечно, генетическую.

- Михаил Иванович, спасибо Вам за интервью.

Анна Топтыгина