Программы / Ни дня без науки

Гости программы «Ни дня без науки»: Олег Наймарк; Валерий Матвиенко, председатель Пермского научного центра УРО РАН. Ведущий: Роман Попов.

Визитка:

Область научных интересов: разработка широкодиапазонных определяющих уравнений твердых тел с дефектами, отражающих закономерности коллективного многомасштабного поведения дефектов в соответствии с впервые установленным классом критических явлений.

Для понимания физики и механики пластичности большой интерес представляет изучение локализации пластической деформации. Ярким примером неустойчивости пластического сдвига следует считать формирование так называемых полос адиабатического сдвига при ударно-волновом нагружении материалов. Полосы адиабатического сдвига возникают при взрывном нагружении, высокоскоростном соударении и играют значительную роль в ряде таких явлений, как дробление, эрозия, пробивание. Локализация пластического сдвига является следствием резких структурных изменений в материалах и может сопровождаться полиморфными превращениями, фрагментацией, ориентационной и ротационной неустойчивостью. Фрагментация структуры является естественной предпосылкой для зарождения и роста микротрещин. Микротрещины возникают в местах структурных несовершенств: участков с повышенной плотностью дислокаций, границ боков. В настоящее время установлено, что зарождение и рост микротрещин играют существенную роль в процессе деформирования и разрушения материалов. Особое значение в возникновении пластической неустойчивости  имеют структурные изменения в материале, связанные с коллективными процессами в системе микротрещин.

В древней науке о прочности, ключевым понятием являлся дефект. Именно понятие дефекта, который в физическом плане коренным образом отличается от других структурных носителей свойств поведения материалов, биосистем, жидкостей, отвечает за закономерности эволюции и влияет за эти закономерности в широком классе поведения материалов и различных физических систем.

Одно из направлений изучения природы дефекта имеет отношение к оценке надежности авиационных двигателей, где самый небольшой недочет может привести к катастрофе.

- Олег Борисович, вы сказали, что слово "прочность" - это не просто термин. Что это?

Олег Наймарк: Сейчас в науке о прочности материалов наблюдается настоящий ренессанс. Это связано с техническими вызовами, когда речь идет, например, об увеличении прочности в два раза или о снижении веса в два раза за счет использования свойств материалов, начиная с их атомного уровня. Как оказалось, в древней науке о прочности, где ключевым понятием является дефект, сейчас стали появляться тенденции, связанные с тем, что ключевые результаты, связанные с физикой развития дефектов, с физикой разрушений, стали проникать в такие области, как физика турбулентности, биофизика с целью прогнозирования поведения биологических объектов, потому что, как оказалось, именно понятие дефекта, в физическом плане, коренным образом отличается от других структурных носителей свойств поведения материалов, биологических систем, жидкостей, отвечает за закономерности эволюции и влияет на них  в широком классе поведения материалов и различных физических систем.

Валерий Матвиенко: Может быть, добавить несколько слов о том, что такое дефект. Это океан понятий.

Олег Наймарк: Я бы хотел привести такой пример. Что такое переход из твердого состояния в жидкое? Все мы знаем, что это реализуется в результате плавления при повышении температуры. оказывается, что именно дефекты отвечают за закономерности этого перехода. Вы начинаете повышать температуру, у вас возникают вакансии - места, не занятые атомами и по мере увеличения числа вакансий, островки кристаллической структуры и в какой-то момент теряются связи между островками и твердое тело теряет способность сохранять форму при воздействии нагрузки в силу того, что островки кристаллической решетки не связаны и тело переходит в другое агрегатное состояние - жидкость. Жидкость, как конденсированное состояние - это совокупность очень маленьких кристаллитов. Если мы будем проверять жидкость при высокой нагрузке, она начинает проявлять свойства твердого тела. Разница между жидким и твердым состоянием не качественная, а количественная и определяется интенсивностью нагрузки - амплитудой ее воздействия и характерным временем.

- Валерий Павлович, физики, которые изучают прочность, они, в первую очередь, изучают свойства материалов в каких-то их предельных состояниях?

Валерий Матвиенко: Совершенно верно. В конечном итоге нас, как обывателей, интересуют предельные состояния - стоит ли здание, совершит ли посадку самолет.

Прочностью занимаются многие. Есть целые пласты, когда мы говорим о прочности не проникая в суть. Олег Борисович занимается проникновением в природу этого явления, а не просто констатацией того, что образовалась трещина и т.п.

Олег Наймарк: Валерий Павлович коснулся важной философской категории. Мы часто привыкание принимаем за понимание. Например, трещина - это объект уникальный. Когда мы наблюдаем развитие трещины, мы должны понимать, что этот макроскопический объект, разрезая твердое тело, разделает его в масштабах от макроскопических до атомных. Совокупность этих физических явлений будет воображений. То, что происходит в вершине трещины  - это касается самых тонких моментов, связанных с поведением вещества.

- Когда я еду на машине со скоростью 120 км/час, мельчайший камушек, вылетающий из-под КамАЗа, залетая в лобовое стекло, оставляет трещины, одна из которых обязательно доходит до средины стекла. А у меня в душе этот камушек оставляет не яркий след от того, что мы наблюдаем за интереснейшим физическим явлением, а только глубокую скорбь. При этом, я вас понимаю.

Олег Наймарк: Тогда я поговорю о вещах в высшей степени актуальных, которыми мы занимаемся в прикладном плане. Они имеют отношение к оценке надежности. Например, лопатки газотурбинных двигателей. Из-за них случилось огромное количество авиакатастроф - когда при посадке или при взлете в лопатку двигателя попадает маленькая частичка, которая делает забой, исходный эффект. В полете лопатка совершает огромное количество циклов. Долетит ли самолет, если случится такое. У вас есть исходный дефект, который вы наблюдали при соударении камня с вашим стеклом, а затем, при увеличении нагрузки, он начинает распространяться.

Валерий Матвиенко: Вы же не едете сразу на ТО, после того как появилась трещина. Вы поедете, когда она поползет дальше.

- Да, вы правы. То есть, вы пытаетесь понять, насколько тот или иной эффект повлияет на состояние материала в дальнейшем.

Олег Наймарк: Да, мы занимаемся конкретными прикладными задачами, но, как лаборатория академического института, мы смотрим на проблему значительно шире. В качестве примера наших работ с западными коллегами и американскими коллегами из крупных лабораторий, приведу такие примеры: если взять ситуацию, которую вы описали - соударение камня со стеклом, оказывается, что это проблема в своей фундаментальной значимости, сильно выходит за пределы. Вы, наверняка, видели, что в результате соударения камня со стеклом у вас наблюдается множественная фрагментация.

- Более того, иногда стекло прошибается насквозь.

Олег Наймарк: Этих двух случаев я и коснусь. Еще нобелевский лауреат Невилл Мотт сказал, что исследование статистических закономерностей фрагментации имеет огромное значение для понимания закономерностей развития нашей вселенной, а точнее - что происходило после большого взрыва.  

- В момент, когда в стекло ударяется камушек и появляется огромное количество трещинок, я могу представить себе зарождение вселенной?

Олег Наймарк: Более того, в процитирую: "В каждой песчинке скрыта история вселенной". Вот. Мы выполнены цикл исследований, совместно с Кавендишской лабораторией, закономерностей развития фрагментации в очень интересной ситуации. Представьте себе, что ваш камушек движется со скоростью порядка километра в секунду. Это типично для соударения мелких частиц с иллюминатором космического корабля. В этом случае разрушение происходит не за счет зарождения трещины, а за счет того, что образуется множество мельчайших трещин, которые ведут себя коллективно. В результате соударения идет волна напряжения, нагрузки, потом она ушла и за ней движется другая волна, позади которой материал полностью дисперсно дефрагментирован. Это происходило во вселенной, когда произошел взрыв и собственно силовое воздействие уже ушло. Мы видим последствия этого.

Если говорить о случае, когда происходит проникание - это другой цикл работ, которые мы вели на протяжении ряда лет в рамках совместных программ российских и американских ядерных центров. И он посвящен формулировкам широкодиапазонных уравнений, которые в состоянии предсказать поведение объектов в случае широкоинтенсивных нагрузок. В частности, мы предсказали грандиозный эксперимент, который проводило НАСА, когда в комету Темпель-1, которая пролетала на расстоянии 80  млн км от земли... был подведен космический корабль и в эту комету выстрелили 400-килограммовым медным зондом. В результате соударения произошел выброс и спектральный состав выброса был передан на Землю Цель эксперимента: после большого взрыва было образовано множество фрагментов кометы... как оказалось, кометы несут в себе проматерию. Спектральный анализ проматерии давал анализ того, что происходило на первых стадиях развития вселенной.

Чтобы получить отклик, надо было воздействовать на комету. Поскольку скорости соударения порядка 80 км/сек, понятно, что выброс из кометы содержал плазменную составляющую, излучение, фрагменты. Собранная информация обладает большой ценностью.

- Это было в каком году?

Олег Наймарк: В 2005.

- Вы говорите о том, что наука о прочности - это наука о строении материалов...

Олег Наймарк: И о влиянии строения на закономерности поведения материала в плане прочности.

- Проще говоря, много тысяч лет назад люди, бьющие одним камнем о другой, уже занимались протофизикой.

Олег Наймарк: Их интересовал конечный результат - разрушится или нет. Нас же интересует следующее: за какое время разрушится, сколько времени прослужит после нагрузки, как уменьшить вес при сохранении нагрузки.

Валерий Матвиенко: Самолет же может летать и при наличии трещины.

Олег Наймарк: Да. Типичный метод инспекции тех же лопаток - это выборочный анализ поверхности на предмет наличия трещин критического размера. Сейчас перед физикой прочности поставлена проблема, которая в абсолютно новом фундаментальном аспекте смотрится, потому что технологические возможности создания материалов предопределили увеличение на два порядка усталостного ресурса лопаток. Но проблема в том, что при увеличении циклического ресурса лопаток, трещина зарождается в объеме, а не на поверхности лопатки. Поэтому все методы дефектоскопии работать не могут и необходима разработка новых.

Валерий Матвиенко: Вы говорите о предсказании, написании моделей, но ведь у вас богатейший арсенал физических методов. Будучи за границей, ч с глубоким удовлетворением смотрел на стенд одной из ведущих французских лабораторий, где была фотография Олега Борисовича и его коллег. Суть в том, что на  совершенно уникальной камере был реализован принципиально новый эксперимент по фрагментации.

Олег Наймарк: Лаборатории в этом году исполнилось 25 лет. Она на 80% укомплектована выпускниками наших вузов, которые пришли туда еще студентами. Все они прошли хорошую стажировку в ведущих западных центрах. В нашей лаборатории организована уникальная экспериментальная база, которая позволяет проводить исследования на самом сложном уровне. Одной из основных задач лаборатории была разработка современных концепций.

- Здесь точность ваших приборов поражает. Эти приборы достались нам когда, почему?

Валерий Матвиенко: Это результат работы лаборатории. Ни одного прибора в комплексе не выпускается. Измерительная система была куплена адаптирована.

Олег Наймарк: Лаборатория ведет исследование поведения материалов с регистрацией того, что происходит при нагружении при квазистатических, усталостных, гигоцыкловых нагрузках. Что касается гигоцикловых нагрузок - она пока единственная в России. Примерно 7 лет назад мы начали исследования в области гигоцикловой усталости в той лаборатории, о которой говорил Валерий Павлович, которая впервые создала эту установку м вире. За это время была создана методология исследования поведения материалов. Очень важно эти наработки были восприняты промышленностью, потому что промышленности все равно от этого не уйти. Наша задача - в опережающем режиме быть готовыми ответить на технические вызовы.

- Мы в этой студии разговаривали с людьми, которые занимаются разработками по конкретным заказам промышленников. Вы говорите, что знаете с чем они столкнутся в будущем и решаете их задачи сейчас, заранее.

Валерий Матвиенко: В этом смысл хорошей фундаментальной науки.

Олег Наймарк: Здесь и "да" и "нет" надо отвечать. Мы, как представители фундаментальной науки, должны работать на опережение. Что касается приложений, то мы активно работаем с нашими предприятиями. Они тоже эти вызовы ощущают и ставят нам задачи. Специфика фундаментальной науки в том, что мы живем в разном темпомире с предприятиями. Их темпомир определяется тем, что поставлена задача - надо создать новый двигатель и эту проблему надо решить в сжатые конкретные сроки. Очень важно, чтобы здесь фундаментальные результаты шли с опережением.

- Вы, безусловно, на острие. Есть ли у вас место для интеллектуальной игры, для решения неких философских задач?

Олег Наймарк: Да. В качестве иллюстрации могу сказать следующее: я вам уже говорил, что дефект - это физический объект, который определяет эволюцию и влияет на нее. Если вдуматься в эти определения, то, говоря о дефекте в сопоставление с другими структурными элементами твердого тела, можно сказать что дефект - это физический объект, который меняет локальную и глобальную симметрию системы. В основе многочисленных эволюционных проявлений лежат представления о симметрии. Например, мы уже 10 лет ведем активные исследования в области турбулентности и роли дефектов. Понятие турбулентности было введено Леонардо Давинчи, а ему никак не откажешь в широте философских взглядов. Ему принадлежит фраза: "Когда вы опускаете руку в турбулентный поток, вы знаете что происходит выше и ниже потока по течению". Это означает, что существую объекты, которые доносят до его ладони информацию о том, что было до и будет после. Дефект, как локальное изменение симметрии - это очень глобальное свойство. Накапливающие дефекты разрушают глобальную симметрию.

- Наверное, мы можем говорить о дефекте как о точке бифуркации, после которой наблюдается иное строение системы.

Олег Наймарк: Совершенно верно. Мы используем такие термины как "неустойчивость", "бифуркация" и т.д. Я, учитывая популярный аспект разговора, воздерживался. Коль скоро вы дали мне некий карт-бланш...

- Отчего же нет? Люди, которые не поняли нас после первых трех минут, они уже отключились. (смеются)

Олег Наймарк: Тогда еще пример. Около 10 лет назад, в пике программ, которые мы вели совместно с американскими центрами - исследование поведения твердых тел при высокоинтенсивных воздействиях. У меня был доклад о нелинейных сценариях поведения твердых тел в широком диапазоне интенсивности нагрузок. После семинара было обсуждение с заведующим теоретическим отделом, который очень известны специалист в области физики взрыва. Оказалось, что за несколько лет до нашего семинара, он практически полностью переключился на исследование нелинейной динамики ДНК.

- Он обнаружил, что речь идет о похожих системах?

Олег Наймарк: Это был очень любопытный момент. Первый научный бестселлер, посвященный биологической эволюции, был написан Эрвином Шредингером и он назывался "Что такое жизнь с точки зрения Физики". Он рассуждал о структуре и физических функциях ДНК. Там было дано определение: ДНК - это биологический кристалл. По этой аналогии свойства ДНК определяются нелинейным взаимодействием атомов, а нелинейное взаимодействие атомов в кристалле имеет своим следствием зарождение дефектов.

Вторым научным бестселлером была книга Уотсона и Крика, которая называется "Двойная спираль" - о структуре ДНК. В развитие этих результатов была построена модель динамики ДНК, где выяснили, что ключевым элементом, отвечающим за основные функции ДНК, может являться дефект как функционирование. ДНК как две полимерные нити, сшитые ковалентными связями, между собой скреплены слабыми водородными связями. Когда вы нагреваете зиготу, в структуре ДНК начинают возникать тепловые флуктуации и слабые водородные связи разрушаются. В этом месте образуется дефект, который обладает своей динамикой. Например, могут возникать многочисленные разрывы, которые называются бризеры. Эта стадия, предшествующая формированию зародыша, начинается с "дыхания" ДНК - образования бризеров.

В результатах наших исследований была информация о том, как одни типы дефектов переходят в другие. Когда флуктуации, приводящие к разрыву ДНК переходят в дефекты, так называемые солетонные моды, а солетонная мода может двигаться внутри спирали ДНК раскрывая связи и закрывая за собой. На эту движущуюся флуктуацию садится РНК и считывает с нуклеотидов информацию о синтезируемом белке.

- Вы же сейчас рассказали о возникновении жизни.

Олег Наймарк: Когда я рассказываю об этом, передо мной встает образ одного из моих учителей Сергея Павловича Курдюмова, директора института прикладной математике имени Келдыша. Это один из основателей синергетики, который анализировал бифуркационные моменты, синергетические моменты. Они анализировали большой класс физических систем - от плазмы до доклада Сергея Павловича Курдюмова вместе с Сергеем Петровичем Капицей на сессии ООН об анализе развития человеческого общества в связи с флуктуациями народонаселения.

Валерий Матвиенко: Мне хотелось бы, чтобы Олег Борисович прокомментировал результаты работы его лаборатории и наших онкологов, биологов. Не так давно в Перми прошел международный семинар с представительским участием "Физика рака".

Олег Наймарк: Мы обратили внимание на то, что в ведущих западных центрах одним из основных направлений в области связи онкологических заболеваний, старения является изучение поврежденности клетки, ткани. Дело в том, что биологи должны понимать что такое поврежденность. Именно поэтому 10 лет назад мы стали смотреть какой наш прямой выход в это приложение. В лаборатории на хорошем уровне была развита техника, связанная с инфракрасной диагностикой. Инфракрасное сканирование  - вполне конкурирующая процедура по отношению к маммографии для ранней диагностики рака. Но в отличие от маммографии, оно не инвазивное. Мы начали исследования в нашем онкологическом диспансере, сканируя ткани в комнате экстренных анализов, непосредственно в ходе операции. Затем, благодаря поддержке Олега Алексеевича Козлова, мы провели и получили огромнейший уникальный материал по инфракрасному сканированию рака грудных желез. Обработав эти результаты совместно с очень сильными французскими и американскими группами, мы подтвердили наше предположение о том, что существует качественное различие между поведением флуктуации температуры здоровой ткани и ткани, в которое развиваются онкологические патологии. Суть результата в следующем: еще при рождении у нас есть зародыши онкологических патологий. Но, мы устроены таким образом, что существуют разные сценарии развития бифуркаций, о которых мы говорим. Одна из бифуркаций порождает естественную реакцию организма, связанную с появлением зародышевой опухоли. Наряду с этим, в здоровом организме имеются нелинейные сценарии, которые не дают этому сценарию переподчинить их себе.

Когда эта способность утрачивается, а мы это увидели во взаимодействии флуктуаций температуры, потому что это отражает закономерности метаболизма ткани. Мы увидели количественно с чем это связано. Так называемое подчинение мультифрактальной динамики флуктуации температуры, когда организм сопротивляется, к монофрактальной, когда он уже не в состоянии сопротивляться.

Конференция по физике рака, о которой мы говорили - это была первая такая конференция в России. Там было обозначено, что сейчас актуальнейшим направлением в физике рака является механобиология.

Валерий Матвиенко: Олег Борисович, времени мало, всего не коснешься, но уж сверхпластичность упустить никак нельзя.

Олег Наймарк: Согласен. Если вспомнить историю создания лаборатории, то целевое выделение ставок на лабораторию в нашем институте произошло одновременно с созданием института сверхпластичности в Уфе. Сверхпластичность - это способность металла претерпевать гигантские деформации в твердом состоянии. Ключевую роль здесь играют дефекты.

Валерий Матвиенко: Металл как пластилин. За одно обжатие вы можете создать любую форму.

Олег Наймарк: Например, лопатку авиадвигателя, которая имеет очень сложную форму и роль дефектов там определяющая, потому что развитие сверхпластичности реализуется в особом поликристаллическом состоянии, когда у вас имеется очень мелкое зерно. Но, когда у вас есть совокупность зерен, то граница между ними - это дефект. Именно за счет проскальзывания зерен относительно друг друга, а это может рассматриваться как движение дефектов, реализуются уникальные технологические процессы, и физика наноструктурного состояния на 90% определяется качественно новой ролью дефектов.