Skip to Content

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА НЕИСЧЕРПАЕМОСТИ

Почему одни материалы прочнее других и как улучшить их свойства? Ответ на эти и другие вопросы ищут сотрудники Института химии твердого тела УрО РАН в лаборатории квантовой химии и спектроскопии им. профессора А.Л. Ивановского. Ученые строят модели соединений, опираясь на современные вычислительные методы квантовой теории конденсированного состояния вещества. Металл или сплав рассматривается на уровне электронов и ядер, взаимодействие которых определяет их макроскопические свойства. О становлении этого направления исследований в ИХТТ и «неисчерпаемости» железа и его сплавов рассказывает главный научный сотрудник лаборатории, доктор физико-математических наук Надежда Ивановна Медведева.
— В лаборатории, когда ей еще руководил Владимир Александрович Губанов, сформировался сильный научный коллектив. Здесь собралась целая плеяда ученых, которые впоследствии достигли огромных успехов в области квантовой химии и зонной теории. Каждый из теоретиков группы не только использовал имевшиеся на тот момент методы и вычислительные программы, но и создавал собственные, которые стали признанными на мировом уровне.
В 1970-е годы мы начинали с полуэмпирических методов квантовой химии, поскольку «суперкомпьютеры» того времени БЭСМ-6 не позволяли использовать более точные подходы. Тем не менее, этот период — я его называю «дозонный» — был весьма продуктивным. Исследована электронная структура и спектральные свойства огромного числа бинарных и многокомпонентных карбидов, нитридов и оксидов, что позволило «дозонным» сотрудникам группы быстро защитить кандидатские и даже докторские диссертации.
В 1990-е годы активно развивалось международное сотрудничество. К нам приехал профессор Оле Андерсен из Института Макса Планка в Штутгарте, разработавший  линейные методы расчета зонной структуры и соответствующие программы. В ответных визитах в Германию помимо меня участвовали А.И. Лихтенштейн, В.И. Анисимов, В.А. Антропов, В.П. Жуков и А.В. Постников.
Тогда мы начали использовать и развивать программы Андерсена, перейдя от полуэмпирических методов квантовой химии на зонные подходы. К тому времени математики в своем институте заменили БЭСМ-6 на вычислительные комплексы серии ЕС, и началась наша «зонная» эра. Новому поколению сотрудников трудно понять мелкие и большие радости теоретиков, когда удавалось убедить диспетчеров Института математики и механики УрО РАН выделить дополнительное машинное время или превысить объем печати. С другой стороны, было время ожидания возврата колоды перфокарт с длинной распечаткой в случае успеха или короткой, если подвела плохо заклеенная дырка на перфокарте. Это свободное время, а оно часто длилось до полуночи, посвящалось научным и околонаучным диспутам, чтению статей и игре го с целью повысить IQ. 
Примерно в те же годы началось сотрудничество с известным профессором Артуром Фриманом из американского Северо-Западного университета в Эванстоне. Стажировки в США прошли В.А. Губанов, Д.Л. Новиков, И.В. Соловьев, О.Н. Мрясов, Р.Ф. Сабирянов, О.Ю. Концевой, А.Б. Шик, М.В. Рыжков и я. Интересно, что в группе Фримана в одно время присутствовало до 10 человек из Екатеринбурга, включая сотрудников Института физики металлов УрО РАН М.И. Кацнельсона, Ю.Н. Горностыреву и Ю.Е. Медведеву.
Этот период послужил хорошим стимулом и для моей научной деятельности. Впервые я приехала в Эванстон в 1995 году. Пришлось начинать с нуля — новые методы, новые программы. Там были совершенно другие компьютеры, другая операционная система, имелись компьютерные мышки,  которые я еще не держала в руках,  и «американский» английский. Первая поездка длилась всего три месяца, но, признаюсь, она оказалась самым продуктивным временем за всю мою научную жизнь. За эти три месяца написаны три статьи, которые сейчас имеют цитируемость около сотни и выше. Мне было крайне интересно работать в интернациональной группе Фримана. На семинарах слушали доклады о новых результатах и выступления всемирно известных ученых, возникали споры о возможностях и тонкостях различных приближений.
Вообще, эти стажировки вывели нас на новый уровень исследований, но теоретическая группа в ИХТТ заметно уменьшилась. Сейчас мои прежние коллеги по лаборатории, с которыми мы когда-то сидели в одной комнате, — известные профессора университетов Германии, Франции, Японии и США. Александр Лихтенштейн, который также начинал с нами, возглавляет в Гамбургском университете группу, изучающую квантовый магнетизм и электронные корреляции. Недавно он получил престижную премию Макса Борна от Немецкого физического общества и британского Института физики. Олег Концевой руководит группой в Северо-Западном университете в Эванстоне. Владимир Анисимов собрал сильную команду теоретиков и сейчас возглавляет отдел в ИФМ УрО РАН.
— Когда вы начинали, квантовая химия развивалась весьма стремительно…
— Да, я считаю, что нам, теоретикам-расчетчикам, повезло, потому что одновременно развивалась методическая часть, и появлялись новые компьютеры. Последние становились все более и более совершенными, увеличивались быстродействие и память компьютеров, и вместе с тем они стали дешевыми и доступными. Экспериментаторам сложнее, ведь для того чтобы перейти на более высокий  уровень исследований, им нужно дорогостоящее оборудование.
Одновременное развитие вычислительных методов и  компьютерной техники позволило резко расширить круг исследуемых объектов, включив соединения со сложной структурой и различными дефектами (вакансии, примеси, дислокации), использовать более точные приближения, а также перейти от расчетов электронной структуры к непосредственному количественному моделированию физико-химических свойств.
Вместе с тем надо отметить, что поначалу мне было сложно привыкнуть к полуэмпирическим методам квантовой химии, поскольку я окончила физический факультет УрГУ. Моим руководителем был В.И. Черепанов. Как чистые теоретики мы рассматривали модельные структуры и проводили сложнейшие математические расчеты, используя лист бумаги и ручку. В ИХТТ мне пришлось перейти на реальные структуры и разрабатывать программы полуэмпирические, с большим количеством приближений и параметров.
— Какие задачи решаются в рамках  теоретического моделирования?
— Во-первых, теоретическое моделирование позволяет  интерпретировать наблюдаемые свойства, связав их с особенностями микроскопической природы соединений. Можно объяснить стабильность той или иной структуры, почему соединение является металлом или диэлектриком, почему одни соединения хрупкие, а другие пластичные. В настоящее время первопринципные методы достаточно надежно предсказывают структурные свойства (стабильность фазы, равновесную геометрию, энергии образования дефектов, упругие константы и модули), электронные свойства (зонную щель, магнитное и зарядовое упорядочения) и спектроскопические свойства (рентеновские, рентгеноэлектронные, оптические, ЯМР).
Во-вторых, теоретическое моделирование позволяет не только объяснить свойства уже существующих соединений, но и предсказать новые составы и способы улучшения их свойств. Сейчас активно используется так называемый компьютерный  синтез для нахождения стабильных кристаллических структур и составов. В реальности синтезировать даже десятки соединений сложно — для каждого нужно подобрать свой метод синтеза. Более того, не всегда стабильность и свойства синтезируемого соединения заранее очевидны. К слову, в США недавно запущена правительственная программа Materials Genome Initiative, направленная на создание новых материалов за короткий срок и самым дешевым способом. Для решения этой задачи в первую очередь привлекается компьютерное моделирование.
— Расскажите о вашем текущем проекте, связанном с железом и сталями.
— Все знают классическое выражение: «электрон неисчерпаем». Перефразируя его, можно  сказать, что железо и его сплавы также неисчерпаемы. В том смысле, что их свойства еще недостаточно изучены, несмотря на тысячелетнее использование. Многие слышали про особую прочность и пластичность дамасской стали, так вот в журнале «Nature» несколько лет  назад было высказано предположение, что подобные свойства обусловлены воздействием частиц цементита, их образование в свою очередь инициируют углеродные нанотрубки.
Сложность исследований железа связана в первую очередь с тем, что у него несколько структурных и магнитных состояний. При изменении температуры железо переходит из одного состояния в другое и его свойства меняются радикально. Наличие примесей также оказывает огромное воздействие, поскольку примеси стабилизируют ту или иную структуру. Более того, многие сплавы содержат одновременно несколько структурных фаз железа, а также различные преципитатные соединения, образующиеся при взаимодействии примесей.
В этом случае важно знать, как перераспределяются примеси по различным фазам и как они взаимодействуют друг с другом в многокомпонентных системах. Первопринципные расчеты позволяют предсказать стабильность фаз, предпочтительные позиции примесей и их влияние на упругие, электронные и магнитные свойства. Вместе с тем многие свойства определяются процессами в межфазной области. Таким образом, задача представляется достаточно сложной, и теоретические исследования сплавов железа пока далеки до завершения.
— Преобразуются ли модели в практический результат?
— Эти исследования относятся к фундаментальной области, и теоретики редко включаются в патенты. Основная задача теоретиков — объяснить наблюдаемые закономерности свойств в зависимости от структуры и состава, и на основе полученных знаний предсказать новые перспективные системы. Экспериментаторы в своих работах базируются на теоретических знаниях, и им важно понимать, каким образом и почему определенная примесь воздействует на свойства материала, что нужно добавить, чтобы нейтрализовать вредную примесь, чем обусловлено то или иное наблюдаемое свойство. Без глубокого понимания микроскопической природы свойств разрабатывать новые материалы невозможно.
Беседу вел Павел КИЕВ
P.S. от Надежды Ивановны Медведевой. К сожалению, через два дня после нашей беседы не стало Артура Фримана (фото на этой странице вверху). Он внес огромный вклад в развитие компьютерной физики и материаловедения. Под его руководством были разработаны методы и программы, проведены первопринципные расчеты огромного количества соединений, включая сложные магнитные и сверхпроводящие материалы, опубликовано около тысячи статей. Длительное время он был главным редактором «Журнала магнетизма и магнитных материалов» (JMMM), имеет многочисленные награды и почести, был членом академий и физических обществ различных стран, в том числе почетным иностранным членом УрО РАН. Им создана потрясающая научная школа, и многие из всемирно известных ныне теоретиков являются его учениками, для которых он был и умным учителем, и мудрым наставником в жизни. Преклоняюсь перед его талантом и человечностью.
Президиум УрО РАН, редакция газеты «НУ» присоединяется к словам памяти выдающегося ученого
 
С группой Артура Фримана в Северо-Западном университете сотрудники УрО РАН
(в центре): О. Мрясов, Ю.Медведева, Н. Медведева, О. Концевой, Ю. Горностырев и А. Шик
Год: 
2016
Месяц: 
июль
Номер выпуска: 
13-14
Абсолютный номер: 
1140
Изменено 26.07.2016 - 14:16


2012 © Российская академия наук Уральское отделение
620990, г. Екатеринбург, ул. Первомайская, 91
makarov@prm.uran.ru +7(343) 374-07-47