15-миллионный грант на три года получила научная группа ОмГТУ,
ученые которой доказали, что при ненулевых температурах молекулы на поверхностях могут создавать узоры из повторяющихся треугольников, и разработали программу, которая рассчитывает создание различных автоматически собирающихся систем. О том, какое значение для науки имеет этот доказанный научный факт, корреспондент «КВ» Анастасия ИЛЬЧЕНКО расспросила руководителя научной группы, кандидата физико-математических наук Павла СТИШЕНКО.
– Павел Викторович, расскажите, в чем состоит ваша разработка.
– Мы показали, что некоторые структуры на поверхности могут быть устойчивыми при относительно высоких температурах. Эта модель применима для целого класса систем, абстрактно описываемых как сотовые решетки. Работа теоретическая, но, как говорится, нет ничего практичнее, чем хорошая теория. Наш результат справедлив для целого ряда систем: это может быть два типа молекул на поверхности или один тип, который ориентирован вертикально и горизонтально.
– О каких поверхностях идет речь?
– О любых. Это могут быть поверхности металла, оксида, двумерного вещества, например, графена. Есть молекулы, которые находятся в газовом состоянии или в жидком над этой поверхностью. И она притягивает их к себе, т.е. они адсорбируются на ней. Сила связи может быть разной, но им так или иначе выгоднее быть привязанными к поверхности. Притягиваются они под воздействием сил природы (уравнение Шредингера) и могут выстраиваться в различные интересные узоры – правильные и периодически повторяющиеся. Кроме эстетического удовольствия у этого явления есть ряд применений. Наша задача стоит над конкретными приложениями, мы просто говорим, что такие узоры могут быть сформированы, устойчивы, могут формироваться целым спектром различных молекул на совершенно разных поверхностях.
– На создание узоров можно как-то воздействовать?
– Действительно, можно. У нас конкретно узор составлен из треугольников, где на границе молекулы одного типа, а в середине, где активный центр, другого. Характеризуются они размером. На стороне укладываются либо две молекулы, либо пять, либо семь в зависимости от того, какого размера нужен треугольник. Это можно относительно легко варьировать, меняя давление газом. Из одних и тех же молекул на одной и той же поверхности можно строить треугольники разных размеров. В начале зимы в достаточно престижном журнале американского физического общества «Physical Review B» была опубликована наша статья об этом.
– Но сначала вы выиграли грант Российского научного фонда?
– Да, мы получили финансирование на наш проект в середине 2017 года. Грант РНФ рассчитан на три года, Фонд выделяет по 5 млн. рублей в год. Но по окончании трех лет состоится конкурс, в результате которого с половиной проектов продляют отношения еще на два года. Если повезет, то получим грант на пять лет.
– Солидная сумма получается. На что планируете тратить?
– У нас научный коллектив немаленький: сейчас в нем восемь человек. Все, конечно, работают в разной степени погруженности. В основном средства идут на зарплату и на участие в различных конференциях. В марте наши сотрудники были в Польше в Институте катализа и химии поверхности имени Ежи Хабера. У поляков крупная школа по работе с адсорбцией, наши доклады вызвали интерес.
– Как вообще появилась идея развивать данное направление?
– Тема моделирования поверхностных явлений в ОмГТУ была начата нашим научным руководителем Александром Владимировичем МЫШЛЯВЦЕВЫМ. Мы ее сейчас активно продолжаем развивать, а он за нами приглядывает. В вузе это направление активно работает с 2005 года. Основой статьи в «Phys. Rev. B» стала кандидатская диссертация одного из основных исполнителей гранта, кандидата технических наук, доцента Василия Федоровича ФЕФЕЛОВА. Он впервые теоретически исследовал такую систему и доказал, что «треугольные узоры» могут существовать при абсолютном нуле температуры. У нас была задача посмотреть, будут ли они устойчивы при температурах практичных – хотя бы 200 кельвинов (от ред.– Минус 73 градуса по Цельсию). Достижимая в лабораторных и промышленных условиях низкая температура. Это непростая вычислительная задача, она требует сложных расчетов на компьютере, и ее невозможно было решить, пока мы не получили финансирование от Российского научного фонда. С ним мы смогли реализовать определенный алгоритм, запустили долговременный счет и получили результат. Стало ясно, что подобные структуры могут существовать при ненулевых температурах. И в статье мы описали итоги этого исследования. В рамках гранта наша главная задача – это разработка программного комплекса, в котором реализован ряд алгоритмов. Он позволяет выполнять расчеты не только для треугольников, но и для различных систем, которые автоматически самособираются на поверхности. Самосборка.
– Можете привести примеры применения вашего открытия?
– Нанотехнологии позволят делать много интересных вещей. Это те же квантовые компьютеры, неквантовая электроника, лекарства. Сегодня мы можем фактически любую конструкцию собрать из атомов просто с помощью микроскопа. Еще около 20 лет назад компания IBM свой логотип выложила из нескольких десятков атомов и показала эту фотографию. Но проблема в том, что это не массовое производство. А, например, для целевой доставки лекарств в нужное место организма требуется именно массовость. Нужно много наноразмерных устройств, которые бы доставляли лекарство и открывались в нужном месте организма. Они должны быть умными, чтобы понять, где находятся, маленькими и собираться сами. В организме человека это постоянно происходит – белки строятся по ДНК, сами ДНК размножаются автоматически. Самосборку на поверхности организовывать можно, вопрос в том, чтобы появлялась именно та структура, которая нужна. Собственно, наш программный комплекс и позволяет моделировать такие процессы самосборки на поверхности. А это дает возможность разработчикам не экспериментально проверять много-много вариантов, а просто загрузить нашу программу и сказать, какая структура будет формироваться в каждом случае, и выбрать нужную. Некоторые структуры мы сами исследуем – те, которые представляют теоретический интерес, это например, бинарные газы. Но не концентрируемся на конкретных применениях.
– Получается, вы работаете на стыке теоретической химии и программирования?
– Это скорее вычислительная химия. Мы работаем за компьютером. Расчет может занимать часы, дни, недели на весьма серьезных компьютерах. У нас, к счастью, в университете есть достаточно неплохие вычислительные мощности. Но нет пределов для развития: есть масса идей, которые пока ограничиваются возможностями техники.
– Павел Викторович, ваш программный продукт можно коммерциализировать?
– В принципе — да. Но наша задача все-таки не столько зарабатывание денег, сколько продвижение научного результата. Это ведь грант Российского научного фонда, а не конкурсов «УМНИК» или «СТАРТ». Сейчас мы программу — она называется SuSMoST — раздаем бесплатно, а потом посмотрим. Надо понимать, что это очень узкий рынок. Ее можно продать тем, кто занимается процессом самосборки на поверхности.
– Программа уже полностью готова?
– Пока она неудобна в использовании. Ее сейчас могут применять только специалисты, и то только с нашей помощью. У нас есть три года на доработку.
– Вы достаточно успешный ученый, и не только по меркам Омска. Были ли у вас мысли перебраться в более активные в научном плане города?
– Научная работа определяется в первую очередь финансированием, коллективом, задачами, которые стоят. Я, честно говоря, не вижу особой разницы, где работать. Важной является поддержка со стороны вуза, а руководство нас поддерживает. Политех заинтересован в нас. В последнее время он сильно продвинулся вперед, а в растущей организации очень приятно находиться. Сейчас, когда у меня грант на три года, я ничего такого не рассматриваю. Когда подавались на грант, я изучал и возможности европейских фондов, хотя особых желаний уехать за границу нет. Если не получим продление, будем подавать заявки везде.
– Получается, что ради науки вы готовы к радикальной перемене места жительства?
– За рубежом говорят, что ученый – это «бомж со степенью». Эту фразу я прочитал на одном из аспирантских сайтов. В Европе, если человек защитил диссертацию, ему практически нереально получить работу в том же вузе, потому что там стараются брать ученых из других вузов, таким образом стимулируя научный обмен. Конечно, в России научных групп мало, да и переезд дороже стоит. Тем не менее и у нас ученые едут туда, где есть финансирование, возможность развиваться, работать. Как военные.
Биография
Павел СТИШЕНКО, кандидат физико-математических наук, преподаватель, научный сотрудник ОмГТУ:
родился 26 сентября 1984 года в Омске. Окончил среднюю школу № 139 в 2000 году. Сразу поступил в ОмГПУ на факультет информатики. Окончил вуз в 2006 году и поступил в аспирантуру ОмГТУ. Защитил диссертацию по теме «Моделирование адсорбции на поверхности наночастиц» в 2011 году. С 2006 года преподает в ОмГТУ дисциплину «Молекулярное моделирование».
Женат. Воспитывает дочь.
Материал подготовлен при организационной и финансовой поддержке ООО «Омсктехуглерод»