ИФВД РАН

В рамках проекта «Живая наука», стартовавшем в ТрВ № 15 (134) от 30.07.2013 года, нашим собеседником стал зам. директора Института физики высоких давлений РАН, докт. физ.-мат. наук Валентин Рыжов. С ним беседовал наш корреспондент Александр Гапотченко.

Свыше 90% вещества Вселенной находится при давлениях, превращающих 10 тыс. атмосфер (10 кбар). В этой связи важность изучения свойств веществ в сильно сжатом состоянии трудно переоценить. Исследования при высоких давлениях позволяют получить фундаментальные сведения о свойствах конденсированных сред, моделировать и изучать процессы, происходящие в недрах Земли и планет, а также создавать новые материалы с уникальными свойствами.

Экспериментальная физика высоких давлений оперирует с давлениями от тысяч до нескольких млн атм., при этом используемая аппаратура, в зависимости от диапазона давлений, может быть условно подразделена на две группы. При умеренно высоких давлениях (до 100÷200 кбар) существующие аппараты позволяют не только изучать практически все свойства сжатого состояния вещества, но и получать объемные (размером от мм до см) образцы метастабильных фаз высокого давления, в том числе веществ, характерных для внутренних областей Земли.

Яркими примерами фаз высокого давления являются алмаз, кубический нитрид бора, сверхплотный кремнезем и ряд других материалов. Исследования при сверхвысоких давлениях от сотен тыс. до млн атм. проводятся, главным образом, с помощью камер высокого давления с алмазными наковальнями. Максимальные давления и температуры, полученные в настоящее время на данной аппаратуре, соответствуют условиям земного ядра.

Микронные размеры исследуемых образцов не препятствуют использованию самых современных экспериментальных методик исследования веществ в мегабарном диапазоне давлений.

Современные тенденции в этой области состоят во всё более широком использовании мощных источников синхротронного и нейтронного излучения. Во всем экспериментально доступном интервале давлений исследования могут проводиться в широкой области температур: от сверхнизких (<1 К) до высоких (несколько тыс. град.). Заметим, что давления в сотни тыс. и млн атм. соответствуют степени сжатия в несколько раз. Структура и свойства вещества при таком сжатии могут кардинально измениться: материалы испытывают серию структурных превращений к более плотным упаковкам атомов и электронных переходов типа диэлектрик-металл. Ряд молекулярных веществ в этих условиях превращаются в ковалентные модификации, в то время как в других происходит превращение в металлические и сверхпроводящие фазы. При высоких давлениях и сверхнизких температурах многие вещества испытывают квантовые фазовые переходы с образованием необычных сверхпроводящих и магнитных состояний. Высокие давления позволяют синтезировать новые сверхтвердые материалы, в том числе с интересной комбинацией механических и полупроводниковых или металлических свойств.

В Российской академии наук имеется уникальное для мировой практики учреждение — Институт физики высоких давлений РАН (ИФВД РАН), в котором проводятся исследования практически по всем направлениям физики сжатого состояния вещества.

Ученые ИФВД занимают передовые позиции в мире по ряду направлений физики высоких давлений, в том числе по синтезу и исследованию метастабильных фаз, по изучению квантовых фазовых переходов, по исследованиям неупорядоченного (жидкого и аморфного) состояния веществ под давлением.

Среди фундаментальных результатов, полученных в ИФВД РАН в последние годы и представляющих вклад Института в крупные национальные проекты, можно выделить следующие.

Создание и исследование сверхпроводящего алмаза. Полученные результаты позволяют рассматривать сверхпроводящий алмаз как один из наиболее перспективных материалов для электроники будущего.

В области синтеза новых конструкционных и технологических материалов необходимо отметить создание композиционного материала алмаз-медь с рекордными значениями теплопроводности (>900 Вт/мК); получение сверхтвердой стеклокерамики, состоящей из элементарного бора, и синтез наноуглеродных материалов с выдающимися механическими свойствами.

Из результатов геофизического и геохимического профиля необходимо выделить работы по выращиванию монокристаллов коэсита и стишовита.

Особого внимания заслуживает синтез под давлением высших углеводородов из смеси неорганических веществ. Это открытие дает веские основания надеяться на значительные запасы абиогенной нефти в недрах Земли.

В рамках исследования поведения сверхкритических флюидов, которые являются основой широко используемых в промышленности сверхкритических технологий, была открыта новая «динамическая» линия на фазовой диаграмме, разделяющая жидкость и плотный газ в сверхкритической области. При достижении этой линии исчезают сдвиговые волны в жидкости на всех частотах.

В Институте имеются условия для проведения (при соответствующем финансировании и наличии заказов) прикладных исследований в рамках национальных проектов «Стратегические материалы», «Нефть и газ России», «Качество жизни»:

1) разработка технологии изготовления с использованием высоких давлений и мелкосерийное производство деталей бурового и отрезного инструмента из сверхтвердых материалов;

2) разработка технологии управляемой газовой экструзии высокого давления и мелкосерийное производство различных деталей из хрупких материалов методом газовой экструзии;

3) разработка технологий синтеза новых алмазных композиционных материалов с уникальными теплопроводящими, проводящими и фрикционными свойствами для нужд электроники и автомобильной промышленности;

4) разработка технологий синтеза новых композиционных материалов на основе кубического нитрида бора, в том числе и с наноструктурой, для последующего их использования в инструментах и в качестве деталей камер высокого давления;

5) разработка технологий синтеза суперпарамагнитных наночастиц на основе карбидов металлов, инкапсулированных под давлением в углеродные онионоподобные оболочки, которые могут быть использованы в качестве базовых наноразмерных платформ для многочисленных биомедицинских применений;

6) организация мелкосерийного производства уникальных аппаратов высокого давления; отдельных ответственных элементов аппаратуры высокого давления и вакуумной техники;

7) экспериментальное моделирование процессов абиогенного синтеза нефти и газа при условиях, соответствующих верхней мантии Земли, с целью выработки рекомендаций по поиску новых месторождений абиогенного происхождения;

8) усовершенствование технологии изготовления крупногабаритных изделий углерод-углеродных композиционных материалов и производство деталей спецтехники для нужд обороны и авиационной промышленности на Большом прессе усилием 50 тыс. тонн.

— Валентин Николаевич, какими силами выполняется столь обширная программа исследований?

— Сейчас в Институте работает 199 человек (в 2007 году их было 239 — такова тенденция), из них научных сотрудников — 62, в том числе докторов — 13, кандидатов наук — 37. Как ни странно, по публикациям с 2007 по 2012 год держимся примерно на одном уровне, а в пересчете на сотрудника — даже подросли. Средний импакт-фактор журналов, где публикуются наши статьи, довольно высокий (в 2011 году, например, — 2,41, это немало, если учесть, что для Phys. Rev. B он равен 3). Ежегодно издаем традиционный сборник научных трудов. В 1989 году мы организовали школу молодых ученых по физике высоких давлений и твердого тела и вот уже 25 лет проводим конференцию в Туапсе. Многие участники выросли не только в возрасте, но и в научных степенях, вплоть до членкоров и академиков, уровень поддерживаем высокий, люди охотно ездят. Мы получаем для этой цели гранты, так что даже частично оплачиваем поездки. Проводим и другие конференции: по физике сильно сжатого вещества и др.

Базовая ставка зарплаты для кандидата, без разного вида грантов, — 17 тыс. руб. За счет последних (в Институте порядка 16-17 грантов только РФФИ каждый год) средняя з/п научного сотрудника — 30 тыс. Есть хорошие студенты и молодые сотрудники, ездят на стажировки за рубеж, но, к сожалению, нередко они уходят из науки, поскольку в нефтяных и т.п. компаниях они получают существенно больше.

— Каким образом формируется бюджет Института?

— Ситуация с финансированием в Институте, думаю, достаточно типична для институтов РАН. Формирование и структуру бюджета Института можно рассмотреть на примере 2011 года. Базовый бюджет, который мы получаем от Академии, в 2011 году составил 82 млн руб. Его основная часть идет на зарплату, а также коммунальные платежи и обслуживание, мелкий ремонт. На покупку научного оборудования в этом бюджете почти ничего не выделяется. Базовый бюджет составляет 65% от всех средств, которые мы получаем. Кроме них на 6,9 млн руб. у нас хоздоговора, прежде всего ведущиеся на Большом прессе работы по изготовлению спецтехники — мы делаем углерод-углеродные композиты, из которых производятся детали для ракетной и авиационной техники.

5% бюджета получаем от сдачи помещений в аренду. Аренда всегда проходит по конкурсу, эти средства жестко контролируются. Тратить их мы можем только на поддержание материальной базы Института (ремонт, немного оборудования и надбавки обслуживающему персоналу). РФФИ и гранты по программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» — это 15 млн (12% от всего бюджета), плюс 16 млн — программы Президиума РАН, комплексные программы отделений. Программы — наше спасение, потому что менее 50% средств идет на зарплату, остальное на оборудование. Немалое количество крупного оборудования, что мы приобрели за последние пять лет (всего на 77 млн руб., из них в 2011 году на 29 млн) — в основном за счет таких программ и грантов. Ребята из Миннауки говорят, что за последние годы финансирование науки увеличилось в 3 раза, но если посмотреть конкретно, то увидим, что основная часть ушла в Курчатовский центр, Роснано, Сколково. Но хорошо известно, что эффективность вложений в эти структуры гораздо ниже, чем в Академию. Да и уровень исследований в РАН гораздо выше,   чем в большинстве университетов. В 2007 году была заметно увеличена з/п научных сотрудников РАН (до ~30 тыс. руб.), что позволило сохранить людей. Министр Ливанов упрекнул Академию в том, что, несмотря на увеличение финансирования, число публикаций не выросло пропорционально вложениям, однако можно с уверенностью сказать, что иначе число публикаций катастрофически упало бы. Финансирование всё равно не достигло уровня, сравнимого с развитыми странами, с которыми нас постоянно сравнивают. Но это минимально необходимые вложения, чтобы поддержать на плаву имеющуюся науку. Но чтобы совершить скачок, обеспечить реальный рост российской науки этого совершенно недостаточно.

— Несмотря на тяжелые времена, практически все институты сохранились. Но все ли способны работать на мировом уровне и иметь реальный престиж? Или есть какая-то дифференциация?

— Трудный вопрос. Сложно иметь дело с конкретными людьми, увольнять их. Конечно, нужно как-то дифференцировать институты. Вот сейчас, как и всегда, наибольшую активность проявляют физики, видимо потому, что чувствуют себя более уверенно. Наше отделение, по всем критериям, самое сильное в Академии, а российская физика, считаю, на мировом уровне. Если у нас будет зарплата 100 тыс. руб., то мы сможем не просто набирать, но и отбирать людей, возникнет серьезный конкурс при приеме на работу, чего сейчас практически нет. Это неотложная мера, еще есть время вырастить новое поколение исследователей, но оно быстро уходит. Есть способные ребята, но они уезжают, и бороться с большими зарплатами за рубежом нужно подобными же. Такова современная ситуация…

— Нужна ли публичность в научной деятельности?

— Конечно! Точнее — максимальная открытость и активные попытки популярного разъяснения сущности научных исследований и полученных результатов. Кроме того, необходимо четко сформулировать роль фундаментальной науки (про  нее речь в первую очередь) в современном обществе. За последние 20 лет произошли события, которые принципиально изменили ситуацию в российской науке. В стране практически полностью разрушена прикладная наука, которая и занималась внедрением фундаментальных результатов в практику. Сейчас произошло смещение понятий, на фундаментальную науку стали смотреть как на источник прикладных результатов, а это неверно. Институты Академии не должны заниматься, образно говоря, производством «айфонов» — в научном смысле это все-таки вчерашний (если не позавчерашний ) уровень развития науки, а Академия должна ориентироваться на то, что должно быть «послезавтра». Вот эту разницу и нужно разъяснять. Пока же Академия проигрывает «информационную войну».

Реализована экспериментальная модель неорганического синтеза нефти. В смеси простых соединений CaCO3-FeO-H2O при давлениях 30-50 кбар и температурах 1000-1200°С, что соответствует условиям верхней мантии Земли, получена смесь углеводородов алканового, алкенового и аренового гомологических рядов (СН, С2Н6, С2Н4, С3Н8, С3Н6, С4Н40, С5Н12, С6Н14), сходная по своему составу с природными углеводородными системами. Установлено, что выбор исходных веществ не влияет существенно на реакцию синтеза углеводородов, и что медленное охлаждение способствует синтезу более тяжелых углеводородов. Предложена модель синтеза, согласно которой в результате реакции образуется преимущественно метан, а его последующее медленное охлаждение приводит к синтезу более тяжелых углеводородов. Это открытие дает веские основания надеяться на значительные запасы абиогенной нефти в недрах Земли.

— Нужно ли вести пропаганду научных достижений и привлекательности этой сферы (для школьников, студентов, вообще для не вовлечённых в эту сферу граждан)?

— Активная популяризация абсолютно необходима! Люди должны, хотя бы в общих чертах, представлять, что такое наука, и какую роль она играет в современном обществе. Лет 15 назад, будучи в Америке, я прочел в информационном разделе университетского сайта о результатах опроса, проведенного в Штатах по поводу отношения граждан к науке. Там я впервые услышал, что 30% американцев считают, что Солнце вращается вокруг Земли (10 лет спустя выяснилось, что примерно такие же результаты продемонстрировали и наши соотечественники), однако при этом 75% респондентов ответили, что обязательно нужно вкладывать деньги в науку. Это результат именно продуманной пропаганды научных достижений. Достаточно вспомнить замечательные научно-популярные фильмы, посвященные фундаментальным вопросам астрофизики, физики элементарных частиц, геофизики, истории, которые там  снимаются, и которые мы можем смотреть, например, на канале «Культура». Немалую роль (хотя и на примитивном уровне) играет и Голливуд. В 60-е, когда я учился в школе, в СССР также снимались научно-популярные и художественные фильмы, писались книги, которые формировали заинтересованное, уважительное отношение к науке («9 дней одного года», «Понедельник начинается в субботу» и т.д.). Сейчас, к сожалению, этого нет.

— Что делает для популяризации ваш институт и готовы ли вы активизироваться в этом направлении (если вектор развития Троицка как научно-образовательного центра будет не только продекларирован правительством Москвы, но и получит какое-то реальное продолжение)?

— К сожалению, у нас нет продуманной программы популяризации науки. Периодически мы проводим экскурсии для школьников, рассказываем об Институте и проводимых в нем работах, но этого недостаточно. На мой взгляд, нужна централизованная работа в этом направлении на уровне Президиума Троицкого научного центра.

— При отсутствии в стране адекватных публичных центров по «продвижению науки в массы» (уже нет даже Политехнического музея, хотя и он не справлялся в той мере, в которой это необходимо) видит ли себя ИФВД элементом этой большой системы пропаганды науки?

— Конечно, при наличии программы популяризации, о которой я упоминал, ИФВД примет посильное участие в ее реализации. Мы всегда откликаемся на просьбы провести экскурсии и рассказать об исследованиях в Институте школьникам и учителям.

— Что ИФВД мог бы показать широкой аудитории в рамках этакой «выставки достижений научного хозяйства»?

— Перечисление всего, что можно было бы показать, займет много времени. Я упомяну только наш Большой пресс, который всегда пользуется успехом и у наших, и у иностранных школьников (мы периодически проводим экскурсии и для немецких школьников, приезжающих по программам обмена).