Не газ, не жидкость, не твердое тело

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.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Чтобы двигать науку и технологию дальше, уже не химикам, но химическим физикам нужно увидеть вещества в ситуациях, которые на Земле, в нашем быту и даже в большинстве технологических процессов не встречаются. О том, чем занимаются специалисты по экстремальным состояниям вещества, и о том, как стать подобным специалистом, «Ъ-Наука» беседует с директором Федерального исследовательского центра химической физики им. Н. Н. Семенова, доктором физико-математических наук Владиславом Ивановым.

Когда температура и давление 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 очень высокой температуры, тогда начинают 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 твердое тело, а какое-то промежуточное состояние.

— А в чем задача науки об экстремальных состояниях вещества?

— Она заключается в том, чтобы исследовать законы, по которым ведет 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 пар, нагретый до температуры выше 2500°С, 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 вернется 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?

— Все-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 все, 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 идет 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 ведет 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 объемы 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 чем 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 преподается вначале. 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 трудоустроиться 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, пришел сюда.

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

— Все 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 завершение нашей беседы, может быть, расскажете еще о каких-нибудь исследовательских проектах, которые сейчас реализуются в вашем институте?

— У нас очень много различных интересных проектов — от изучения 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. Все, что мы видим вокруг — полимеры, резина, искусственные материалы, вся нефтехимия,— это все 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 сверхлегких 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 надежность 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 серьезные успехи. Уже проводим испытания.

— И это все имеет отношение к науке об экстремальных состояниях?

— Конечно.

Беседовал Константин Фрумкин