Сергей Таскаев:

«Иногда мы находим то, что пока не можем объяснить»

Доктор физико-математических наук, декан физического факультета ЧелГУ — о шестом технологическом укладе, завершении эры черной металлургии, мечтах ученого и о том, чему еще нет объяснения

Андрей Ткаченко

Уклады и природа

— В последнее время все чаще говорят, что развитая часть человечества переходит к новому технологическому укладу, что научно-технический прогресс совершает мощнейший рывок. Так ли это? Куда смотрит наука?

— Все правильно — в передовых странах идет переход к новому технологическому укладу, шестому по счету. Но если по-честному, то в России по большому счету еще только завершается четвертый технологический уклад, а кое в каких регионах — и вовсе еще третий (улыбается).

Шестой уклад — это нано-, био-, информационные и когнитивные (сокращенно — НБИКС) технологии. Вещи очень интересные. Если говорить о тех же нанотехнологиях, то по большому счету можно под всем, что мы сегодня знаем о материалах, их свойствах, подвести жирную черту, что мы имеем какое-то представление о неорганических и органических материалах. Но потом перевернуть страницу и начинать новую, большую главу.

Понимаете, сегодня мы ведем речь об обычных для нас материалах, в обычных, привычных глазу размерах, которые синтезированы с помощью технологий предыдущих технологических укладов — плавка металла в домнах, штамповка чего-то, варка и так далее. Или достаем это из каких-то природных залежей.

Но по сути, сейчас мы делаем полуфабрикат. Который может быть в итоге доведен до состояния, в котором он будет иметь совершенно иные свойства, нежели изначально. Потому что если говорить о привычных нам граммах, килограммах, тоннах, если он представлен монолитным куском, есть размер однородности в микрометрах — свойства материала одни, а если этот размер — нанометры, то свойства другие.

— Почему?

— Возрастает влияние поверхности. Чем меньше у нас частичка, тем больше ее поверхность и меньше объем. У макроскопических материалов свойства диктуется объемом, а у наноматериалов — поверхностью. И вот здесь начинаются чудеса...

— Это про новомодные графены и углеродные нанотрубки?

— И про трубки, и про фуллерены, и про много что еще. На самом деле таких материалов очень много, хотя атом углерода — один и тот же. Такой же, что в угле, алмазе, карандашном грифеле. С его помощью можно создавать структуры с самыми разными свойствами, которых невозможно достичь в «обычных» материалах.

— Создавать искусственно?

— Да нет, конечно, все уже есть в природе. Тех же нанотрубок углеродных — полно, как и фуллеренов. Просто надо было знать, что смотреть и где искать.

Знаете, есть байка. Был разогрет до определенной температуры кусок обычного графита, после чего опущен в воду. И вот в той окалине, которая в процессе закалки графита отвалилась, в этом песке, нашли и нанотрубки, и фуллерены, и много чего еще. А если сжигать графит, то в разные стороны будет лететь сажа, в которой при определенных условиях будет наблюдаться то же самое. Другой вопрос — технологии, с помощью которых нужный материал можно как-то выделить и собрать.

Начинается новая эпоха в материаловедении, и все развитые в научном отношении страны ведут борьбу за эти материалы. Ведь тот же самый самолет можно собирать не из алюминия или титана, а из композитных материалов, в том числе со свойствами наноматериалов. Это уже приходит в жизнь — Boeing в новых моделях своих авиалайнерах использует композиты, кажется, до 70 или 80 процентов. Ну, и немного — процентов 10-20 — титана. Российского, кстати. А вот когда будет найдена замена титану, то самолет будет, грубо говоря, почти на 100 процентов состоять из композитов.

— И что? Конец «Титановой долине» в соседней с нами Свердловской области?

— Нет. Все-таки титан в силу своих свойств тоже просто так не заменишь. А вот черная металлургия в длительной перспективе, вероятно, почит в бозе. Это, конечно, процесс небыстрый, на десятилетия, есть много развивающихся стран, где еще употребляют продукцию четвертого, третьего, а то и второго технологического уклада (а кое-кто и вовсе натуральным хозяйством живет). Но мир стремится уже в шестой уклад, и развивает новые технологии.

Это ведь не только собственно наноразмеры. Но и создание новых типов белков, аминокислот, лекарств, эффективных совершенно на ином уровне... Есть целый раздел химии, когда ученые рассчитывают состав тех или иных соединений, которые, например, будут наиболее эффективно бороться с вирусами.

В биохимии все очень интересно. Все эти белки, аминокислоты и так далее — это такие страшные, «рогатые» соединения, молекулы, которые могут быть повернуты под тем или иным углом (такое явление называется изомерия). Хотя структура и масса соединения одна и та же. На этом построена целая тема лекарств-дженериков. Есть оригинальный аспирин, а есть дженерик — вроде лекарство то же самое, то же вещество, та же дозировка, и вроде лечит в том же направлении, только молекула повернута под другим углом, и это уже совсем другой эффект. А вот оптимальная структура лекарства уже запатентована (улыбается). Именно поэтому самые эффективные лекарства — оригинальные. Хотя дженерик вас тоже будет лечить. Но чуть по-другому. И стоит тоже по-другому, дешевле. Однако появляются дженерики позже, после того, как разработчик уже вернет вложенные в разработку лекарства деньги.

Но нано- и био- технологии — далеко не все интересное, и заниматься стоит не только этим.

— А чем еще?

— Если брать физику, одно из основных направлений — энергетика, в том числе термоядерный синтез. Это когда идет управляемая реакция не деления, а соединения ядер, например, дейтерия и трития (изотопы водорода — прим. редакции) с образованием в результате реакции атомов гелия и нейтронов, причем в результате вырабатывается энергии больше, чем тратится на ее, реакции, поддержание. По сути, это следующая ступень развития человечества в этом плане. Уже существуют режимы, когда на 1 мегаватт, потраченный на поддержание реакции получают на выходе 20 мегаватт. В 20 раз больше. А возможна и планка 1 к 50...

— Неиссякаемая энергия?

— По сути да. Ведь того же водорода практически неисчерпаемое количество. Но есть проблема — в результате реакции образуется нейтрон. Злой такой, зараза, быстрый, энергии в нем много сидит. Он и несет мощное радиоактивное загрязнение. Сейчас задача для тех же материаловедов — разработать такие материалы, которые в сотни раз более надежно защищают от радиации, нежели сегодня. Есть, конечно, и другой вариант термояда — безнейтронные реакции с выделением протона. Там уже попроще, однако условия для существования самой реакции значительно сложнее. Но в любом случае, ближайшая реальная перспектива хотя бы полупромышленного термояда — лет 40-50. Сейчас в Европе строят реактор ИТЭР. Но по сути это лабораторный реактор, опытный.

Немного магнетизма

— Давайте я, как всякий кулик, свое болото похвалю? То, чем занимаемся мы с нашим коллективом — это так называемые безредкоземельные постоянные магниты.

Суть в чем? Постоянные магниты, катализаторы, люминофоры и так далее, достаточно дорого стоят. Прежде всего потому, что в их составе используются так называемые редкоземельные элементы — лантаноиды (семейство из 14 химических элементов III группы 6-го периода периодической таблицы — прим редакции) — лантан, церий, неодим, самарий, лютеций, гадолиний, и прочие. Стоимость этих материалов может доходить до 100 тысяч долларов за килограмм.

— И вы ищете замену?

— В некотором смысле да. Например, сегодня есть два лучших варианта материалов для постоянных магнитов — системы самарий-кобальт и неодим-железо-бор. Это лучшее, самое мощное, что придумал человек в этой области. Но природа придумала лучше. Причем это сочетание обычного железа и никеля, и это удивительно!

Казалось бы, человечество уже минимум несколько веков всё знает про железо, давно всё знает про никель, и про свойства их всевозможных сплавов. Но — как выяснилось, это не совсем так. Если попытаться объяснить просто — то при соотношении в сплаве железа и никеля примерно 50 на 50...

— Но это же один из самых известных сплавов...

— Именно. Как выяснилось, есть два состояния этого вещества. Первое — химически разупорядоченное, когда железо и никель разбросаны как Бог на душу положит. А второе — упорядоченное, когда в той же самой кристаллической решетке железо занимает один слой, а никель, следующий, и так далее, они чередуются.

И вот если перейти к такому состоянию (а оно есть в природе, в частности, как выяснилось, в метеоритах, причем вполне себе в макроскопических размерах), то его свойства значительно лучше, чем у редкоземельных магнитов, таких как системы с неодимом или самарием. Но если брать стоимость железа и никеля по сравнению с «редкоземами», то и цена магнита будет в перспективе во много раз дешевле...

Остался один вопрос — как все это реализовать в макромасштабах, если хотите — в промышленных. Вопрос в поиске необходимых технологий...

— Получается, что любой технологический прорыв следует за тем или иным открытием новых свойств материалов?

— Именно так. В развитых странах наука так и построена — решая прикладные задачи, проводя параллельно фундаментальные исследования. Иначе решить задачу нельзя — ведь нужно выйти за известные пределы возможного.

— Но разве у нас не так?

— (после раздумья) У нас этого просто нет на нужном уровне. Мы пока продолжаем, как в 30-е или в 60-е годы варить ту же самую сталь, за редким исключением...

Мечты и необъяснимое

— Вы часто мечтаете? Вот как дети про что-то мечтают?

— Регулярно. Особенно когда пишешь заявку на гранты. У нас же как наука развивается — надо когда пишешь заявку, что-то обещать. А значит, надо придумать, как сделать то, что обещал. А самые лучшие заявки — если там на самом деле все уже выполнено заранее, и ты понимаешь результат загодя (улыбается). Но тем наука и прекрасна, что иногда ты получаешь в конце совсем не то, что ожидал...

Знаете, принято считать, что если физик опубликовался в таких журналах, как Science или Nature — по сути, это признание коллегами того, что он добился, открыл что- то действительно серьезное, великое, то, что до него никто не находил. Создал новый, уникальный материал, или описал явление или какой-то механизм взаимодействия...

— И что? Такое часто случается?

— А можно следующий вопрос? (снова улыбается) Случается. Даже у нас с коллегами есть приоритетные результаты, которые пока ни мы, ни другие группы объяснить не могут. Явление яркое, но для того, чтобы миру о нашем открытии рассказать, мы должны объяснить, что мы нашли, и почему это получилось. А этого пока сделать не выходит. Говорить пока не буду, но это касается именно постоянных магнитов, о которых рассказывал выше.

— Прямо-таки первыми в мире нашли?

— Да.

— Как так получается, что после того, что делали с наукой и образованием в последние 25 лет, у нас, в том числе в Челябинске еще получается что-то делать, причем на серьезном уровне?

— Знаете, а образование у нас в стране до сих пор очень хорошее, несмотря на все реформы, введение ЕГЭ и прочие «злые» опыты на людях. А дальше надо просто, используя это образование, лезть туда, куда никто не лазил.

— Но для этого надо еще и хотеть всего этого.

— Конечно.

— А студенты ваши этого хотят?

— Хотят. Путь и не все. Но это нормально.

Но знаете, что самое интересное? То, что наша Вселенная, примерно на 70 процентов состоит из так называемой темной энергии (ее, правда, пока за руку никто не поймал, но всё впереди), ещё 25-27 процентов — темной материи (тоже непонятной субстанции), и лишь на 3-5 процентов — из так называемой барионной материи, то есть того, что мы с вами видим, ощущаем, к чему прикасаемся. Вот, как этот стол (показывает). И мы, как выясняется, и про эти-то три процента почти ничего не знаем, и все время открываем что-то новое (улыбается)...

Комментарии