И в научной, и в научно-популярной литературе все чаще можно встретить устойчивое словосочетание «экстремальные состояния вещества». Многие столетия химики занимались свойствами веществ, которые можно встретить в окружающем нас мире и кажется узнали о них все или почти все. Чтобы двигать науку и технологию дальше, уже не химикам, но химическим физикам нужно увидеть вещества в экстремальных состояниях, которые на Земле, в нашем быту и даже в большинстве технологических процессов не встречаются. Изучению и применению веществ в таких состояниях  учат на некоторых образовательных программах МИФИ, в частности программе «Технологии экстремального состояния вещества»

О том, чем занимаются специалисты по экстремальным состояниям вещества, и о том, как стать подобным специалистом мы беседуем с выпускником МИФИ, директором Федерального исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семенова, доктором физико-математических наук Владиславом Ивановым. Отметим, что ФИЦ им. Н.Н. Семенова является партнером МИФИ, где проходят практику наши студенты и куда трудоустраиваются наши выпускники.  

Интервью первоначально опубликовано в издании «Коммерсант».

Владислав Иванов. Фото: Алиса Хомич

Когда температура и давления меняют материю

– Итак, что такое «экстремальное состояние вещества»?

– Это такие состояния, когда проявляются новые свойства вещества. Когда вещество оказывается под действием или очень высокого давления, или это очень высокой температуры, тогда начинаются проявляться новые физические законы и дополнительные явления внутри этого вещества. Например, в случае плазменных состояний в веществе возникают свободные электроны. Если мы говорим о сверхвысоких давлениях, то возникают сверхкритические состояния, когда вещество – это уже и не жидкость, и не газ, и не твёрдое тело, а какое-то промежуточное состояние.

– А в чём задача науки об экстремальных состояниях вещества?

– Она заключается в том, чтобы исследовать законы, по которым ведёт себя вещество в экстремальных состояниях и находить применение такому веществу. Находить приложения, которые будут улучшать нашу жизнь.

– Каковы в этой связи прикладные аспекты этой науки? Как, например, научное изучение экстремальных состояний переходит в технологию?

– Про открытые технологии, например, можно сказать, что сейчас активно, с использованием экстремальных состояний вещества, развиваются технологии переработки отходов. Например, отходы перерабатываются сверхперегретым паром, который является очень хорошим окислителем. И что самое главное, этот сверхвысокотемпературный пар, то есть это пар, нагретый до температуры выше 2 500° Цельсия, позволяет перерабатывать органические вещества в синтез-газ без образования вредных оксидов. Тут же можно получать водород для водородной энергетики, или можно синтез-газ пускать на реформинг и делать из него удобрения или сжигать его на тепловых электростанциях.

Еще пример: в нашем институте разрабатывается технология по упрочнению поверхности конструкционных сталей. Задача состоит в том, чтобы создать технологию, которая будет создавать давление выше пластических деформаций конструкционных сталей, для того чтобы производить упрочнение, скажем, лопаток для газотурбинового двигателя и, соответственно, улучшать характеристики таких двигателей.

– Из вашего примера можно сделать вывод, что когда вещество побывает в экстремальном состоянии и вернётся обратно, то оно уже меняет свои свойства?

– Не всегда. Смотря насколько экстремальное состояние. Конечно, если в тот момент, когда вещество находится в экстремальном состоянии, в нем начинают протекать какие-то необратимые химические реакции, то тогда уже возможны какие-то необратимые процессы, когда одно вещество превратилось в другое.

– Можно ли сказать, что у вас, специалистов по экстремальному состоянию вещества, есть какие-то любимые вещества?

– Всё-таки чаще речь идет про комплексы веществ, или про какие-то явления. У нас все вещества любимые.

– Химическая физика — это в большей части наука об экстремальных состояниях?

– Нет, не совсем. Это, только часть химической физики. А вообще химическая физика – очень широкое поле деятельности, включающее, например, создание различных катализаторов, изучение, как эти катализаторы работают, есть еще химическая физика полимеров, это создание новых материалов, и многое другое.

Вещество и компьютер

– Математическое моделирование сейчас очень важная часть науки об экстремальных состояниях?

– Конечно, практически всё, что сейчас разрабатывается сначала проходит стадию математического моделирования для того, чтобы хотя бы примерно понимать, что там происходит внутри. После этого уже создаются экспериментальные установки, но и дальнейшая шлифовка технологий идёт тоже в паре с математическим моделированием. Математическое моделирование сейчас развито очень здорово, но оно не всегда позволяет полностью смоделировать те процессы, которые происходят. Обычно ставится эксперимент, это нормальная практика. Ставится эксперимент, возникают какие-то вопросы, производится математическое моделирование, часть этих вопросов снимается. Это такой итерационный процесс, который ведёт к результату.

– А какое место в ваших исследованиях занимают элементы искусственного интеллекта?

– Сейчас вообще в науке элементы искусственного интеллекта чаще всего занимают роль инструментов, которые помогают анализировать большие объёмы данных, получаемых с экспериментальных установок. То есть это просто ускорение обработки данных.

Где готовят физиков-«экстремалов»

– В МИФИ есть образовательная программа «Технологии экстремального состояния вещества». В чём задача этой программы? Кого она готовит?

– Дело в том, что когда мы уходим в экстремальное состояние вещества, то там начинается самая сложная физика, и те специалисты, которые готовятся именно по этой программе, должны изучать самые сложные комплексные явления. Поэтому подготовка таких специалистов предполагает изучение и основ физики вообще, и газовой динамики, и электромагнитизма. В итоге, студент получает большой кругозор в плане физики, который уже можно применять в различных областях. При этом, я думаю, что самое важное — это общий курс физики, который преподаётся в начале. Это база, а дальше уже студенты уходят более глубоко в различные направления, которые находятся в этой образовательной программе, и изучают уже те или иные аспекты физики.

– Куда может трудоустроится специалист по экстремальным состояниям вещества?

– Конечно, это предприятия «Росатома», так как там плотно занимаются различными экстремальными состояниями. Плюс, конечно, это высокотехнологичные компании, в том числе химической промышленности. Ну и, конечно же в наш институт приходят много ребят, Здесь мы занимаемся не только фундаментальной наукой, но и очень интересными прикладными вещами. Вот, поэтому, собственно, я сам, закончив МИФИ, пришёл сюда.

– Студенты проходят практику в вашем институте? Чем они, например, заняты?

– Всё зависит от пожеланий студента. Мы, в принципе, прислушиваемся к тому, что они хотят. Кто-то хочет, например, заниматься какими-то компьютерными вещами, программированием. У нас очень широкое поле для деятельности, начиная от написания программ по управлению контроллерами для проведения экспериментов, до программирования для нужд численного моделирования. Ну, а часть ребят занимаются экспериментальной работой. Непростая работа, где нужно много работать руками – но тоже очень интересная.

Какая от этого польза?

– В завершении нашей беседы, может быть, расскажете ещё о каких-нибудь исследовательских проектах, которые сейчас реализуются в вашем институте?

– У нас очень много различных интересных проектов – от изучение каких-то элементарных процессов, например, для построения новых каталитических систем, это очень важно для химической промышленности. Как вы знаете, у нас химическая промышленность используется практически везде. Всё, что мы видим вокруг, полимеры, резина, искусственные материалы, вся нефтехимия — это всё химическая промышленность, и практически везде там используются катализаторы. Также у нас есть различные проекты, связанные с разработкой новых наноматериалов, например, для новых сенсоров, газовых детекторов и так далее. Следующее направление — разработка материалов с новыми свойствами. Это, как правило, композиционные материалы для широкого круга назначений, начиная от сверхлёгких баков и заканчивая всякими полимерными материалами с наполнителями. Потом у нас есть направление по изучению лазерной оптики и фемтосекундной лазерной диагностики. Очень сильно у нас сейчас развивается новое направление по изучению работы аккумуляторных батарей. Это и надёжность аккумуляторных батарей, и их безопасность, в том числе пожарная. То, чем я непосредственно занимался, связано с разработкой новых камер сгорания реактивных двигателей. Там у нас тоже есть достаточно серьёзные успехи. Уже проводим испытания.

– И это всё имеет отношение к науке об экстремальных состояниях?

– Конечно.

Беседовал Константин Фрумкин