ЦЕНТР ФИЗИЧЕСКОЙ
МЕЗОМЕХАНИКИ
НАХОДИТСЯ В ТОМСКЕ
Какова роль науки сейчас? Рассуждать на эту тему можно очень долго. Пожалуй, самым главным будет то, что именно передовые научные знания выполняют важную миссию интеграции научного сообщества. Для содружества учёных не существует барьеров в виде государственных границ, потому что наука позволяет им общаться между собой на особом, универсальном языке, который понятен исследователям из самых разных стран мира. И результатом такого сотрудничества становятся открытия, способные совершить прорыв в самых разных сферах. Показать это можно на примере такого научного направления, как физическая мезомеханика.
О. Булгакова, г. Томск
Междисциплинарность
и многоуровневость
В конце первой декады сентября в Томском научном центре СО РАН проходил крупный научный форум — Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов. В числе организаторов конференции Сибирское отделение Российской академии наук, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, Институт механики сплошных сред УрО РАН, Российский фонд фундаментальных исследований, Российский материаловедческий центр, Национальная академия наук Беларуси, Берлинский технический университет, а также ведущие томские вузы — ТГУ, ТПУ и СибГМУ.
 |
|
Торжественная церемония открытия конференции началась с выступления академика В. Е. Панина, создателя этого научного направления. Вся многовековая история развития механики связана с инженерными приложениями. В последние десятилетия резко возросла роль механики в конструировании материалов новых поколений, имеющих сложную внутреннюю структуру и работающих в экстремальных условиях нагружения.
XXI век называют веком наноструктурных материалов. Их разработка потребовала развития принципиально новых направлений в механике.
В основе традиционной механики лежал одноуровневый подход к описанию механического поведения нагруженного твёрдого тела на макромасштабном уровне. На современном этапе в механике развиваются многоуровневые подходы, в которых самосогласованно должны описываться процессы в нагруженном твёрдом теле в иерархии масштабов: нано, микро, мезо и макро.
Многоуровневость подхода связана не только с размерным фактором. В сложных полях внешних воздействий (механических, тепловых, электромагнитных, радиационных и др.) изменяется термодинамическое состояние материала, которое радикально влияет на все остальные его характеристики. Поэтому в механике должны широко использоваться методы современной физики и неравновесной термодинамики. С учётом актуальности приложений механики к современному материаловедению, в последние десятилетия в России интенсивно развивается физическая мезомеханика материалов, в которой термин «мезо» означает необходимость самосогласованного описания всей иерархии мезоскопических (в смысле промежуточных) термодинамических состояний и размеров в нагруженном твёрдом теле в различных полях внешних воздействий.
Физическая мезомеханика материалов зародилась в Сибирском отделении Российской академии наук почти тридцать лет назад и вызывает большой интерес за рубежом. В настоящее время многоуровневые подходы физической мезомеханики признаны актуальными в самых разных областях науки — в физике, механике, химии, геологии, биологии и материаловедении, а также в многочисленных инженерных приложениях. В области наноматериалов и нанотехнологий альтернативы такому подходу нет.
По словам С. Г. Псахье, директора Института физики прочности и материаловедения СО РАН, в настоящее время такие актуальные направления как компьютерное конструирование материалов, представляющих собой иерархически организованные системы, создание перспективных материалов, обладающих качественно новыми характеристиками, должны базироваться на фундаментальных положениях физической мезомеханики.
В. Е. Панин отметил: «Мы переживаем новый ответственный период в нашей науке — формируется новая научная парадигма пластичности и прочности твёрдых тел».
Виктор Евгеньевич в своем выступлении привел целый ряд примеров из истории науки, иллюстрирующих неизбежность становления новых научных парадигм: и физическая мезомеханика прошла весь этот путь. На современном этапе развития науки мезомеханика уже является признанным научным направлением. Ежегодно в мире выходит несколько десятков серьезных монографий, в разных странах проводятся конференции по мезомеханике. В 2011 году такая традиционная конференция состоялась в Венеции, Нижний Новгород принимал Всероссийский съезд механиков. И вот теперь — черёд Томска, потому что именно «Сибирские Афины» стали своеобразной стартовой площадкой для развития в мире мезомеханики.
Точка отсчёта
Первые международные конференции по направлению «физическая мезомеханика» начали проводиться в ИФПМ СО РАН с начала 90-х годов прошлого века. В 1995 году профессор Майкл Внук (Университет штата Висконсин), всемирно известный учёный в области механики разрушения, предложил провести конференцию «Физическая мезомеханика разрушения». По личному приглашению профессора Внука её посетило около двадцати самых известных механиков разрушения.
На Международной конференции «Mesofracture’96» в Томске было предложено проводить эти конференции в разных странах и организовать издание международного журнала «Физическая мезомеханика». Первый номер нового журнала на русском и английском языках был издан в 1998 году и представлен научной общественности на Международной конференции «Mesomechanics’98» в Тель-Авиве. В конце 2006 года ИФПМ СО РАН подписал соглашение об издании журнала в Нидерландах с одним из старейших и авторитетнейших издательств мира «Elsevier». Кроме печатной версии журнала, «Elsevier» размещает в своей электронной библиотеке и его электронный вариант. Российская версия журнала также имеет выход в научную электронную библиотеку. Интерес к журналу и индекс цитируемости публикуемых в нём работ резко вырос. Это неслучайно, ведь за 10 лет издания журнала в физической мезомеханике теоретически и экспериментально был обоснован ряд концептуально новых положений, которые радикально изменяют традиционную методологию описания пластической деформации и разрушения твёрдых тел. Сейчас журнал имеет самый высокий импакт-фактор (1,552) среди изданий Сибирского отделения РАН и входит в тройку лучших физических журналов России.
— Томск играет особую роль в распространении идей мезомеханики. После той конференции в 1995 году ваш город стал неотъемлемой частью моей жизни, — говорит профессор М. Внук. — В Институте физики прочности и материаловедения ведутся исследования высочайшего уровня, а сама конференция, уже ставшая традиционной, является площадкой, местом встречи учёных из разных стран мира. Именно здесь можно обменяться новейшими идеями, найти точки соприкосновения своих исследований с работами коллег. Мне кажется, что сама необычная атмосфера томского Академгородка способствует этому: в мире можно встретить очень мало уголков, подобных ему, где были бы созданы условия для комфортного проживания и плодотворной научной деятельности. Не случайно здесь такая концентрация талантливых людей, чьи знания и опыт будут всегда востребованы в любой стране мира!
Ключ к пониманию
В настоящее время большой интерес вызывают приложения физической мезомеханики к электронике, геотектонике, современному материаловедению, в области исследований биологических объектов. По этим направлениям ИФПМ СО РАН связывают давние научные контакты с целым рядом иностранных партнеров — научных организаций и университетов. Более 15 лет томские учёные сотрудничают с коллегами из Берлинского технического университета. Совместные работы ведутся по двум направлениям: механике процессов трения и износа на различных масштабах и тектонических процессов в геосредах.
— Был разработан уникальный программный продукт на основе метода подвижных клеточных автоматов, который позволяет осуществлять многоуровневое моделирование материалов с покрытиями. С помощью этого подхода исследуются закономерности поведения материалов. Он имеет большое значение и при решении практических задач. Например, с его помощью было вычислено трение в паре «автомобильный тормозной диск — колодка», — рассказывает доктор Х. Клос (Федеральный институт исследования и тестирования материалов, Берлин). — В настоящее время с применением методов компьютерного моделирования ведутся серьезные исследования, позволяющие лучше понять суть процессов трения и износа, по-иному взглянуть на то, что происходит в структуре материала.
Совместно с Исследовательским центром имени М. В. Келдыша Институт физики прочности и материаловедения (лаборатория академика В. Е. Панина) разработал уникальные наноструктурные теплозащитные покрытия для космической техники. Они в несколько раз увеличивают ресурс работы деталей ракет, функционирующих в условиях воздействия высокотемпературных плазменных потоков.
Что же касается совместных исследований в области тектоники, то этим летом состоялась очередная экспедиция СО РАН с участием Берлинского технического университета. Экспедиционным работам предшествовал Российско-Германский семинар по актуальным проблемам трения и износа. В этом направлении активно развивается сотрудничество между коллективами ИФПМ (лаборатории С. Г. Псахье, и А. В. Колубаева), Берлинского технического университета и Федерального института тестирования материалов (Берлин).
Преемственность
научных поколений
Программа конференции была очень насыщенной, можно даже сказать, сверхплотной. Помимо заказных пленарных докладов, на конференции работало 12 секций: физическая мезомеханика материалов; компьютерное конструирование материалов; неустойчивость и локализация пластической деформации и разрушение; наноматериалы и нанотехнологии; материалы с модифицированными поверхностными слоями и покрытиями, градиентные материалы; материалы конструкционного, функционального и медицинского назначения, диагностика материалов; геодинамика и геоматериалы; высокоэнергетические воздействия. Особо следует отметить, что в этом году отдельная секция была отведена под исследования, связанные с проблемами мезомеханики в молекулярной биологии и фундаментальной медицине. Ежедневно работе тематических секций предшествовали пленарные заседания, на которых были заслушаны доклады ведущих российских и зарубежных учёных.
 |
|
Результаты своих исследований представили более двухсот ученых из США, Германии, Франции, Китая, Беларуси, Украины, Казахстана, ведущих научных центров России — Новосибирска, Томска, Москвы, Санкт-Петербурга, Белгорода, Уфы, Нижнего Новгорода, Екатеринбурга, Перми, Иркутска, Красноярска и других городов. На конференции также демонстрировались более ста стендовых докладов.
В ИФПМ СО РАН уже стала доброй традицией преемственность поколений, в тандеме с известными, маститыми учёными всегда работают молодые исследователи. Здесь большое внимание уделяется работе с молодёжью. И это, бесспорно, приносит свои плоды: молодые учёные института в 2007–2011 гг. получили 17 президентских грантов, при этом 8 из них были выделены молодым докторам наук.
В рамках конференции прошла очередная молодёжная школа, которую по праву можно считать хорошей стартовой площадкой в мир большой науки.
— Участие в ней приняли молодые учёные не только из Томска, но и других городов России — Москвы, Новосибирска, Перми, Екатеринбурга, Абакана, — рассказывает Ксения Колесникова, председатель Совета молодых учёных и специалистов ИФПМ СО РАН. — Работа молодёжной школы велась в трёх секциях: перспективные материалы, проблемы физической мезомеханики и компьютерного конструирования структурно-неоднородных материалов и материалов с покрытиями, проблемы пластичности и прочности материалов. Для исследователя, который делает свои первые шаги, очень значимым событием является выступление на столь крупном научном форуме. Молодёжь получила возможность прослушать лекции ведущих специалистов, представить и обсудить результаты своих исследований, познакомиться с известными учёными и молодыми коллегами из разных городов и стран.
России нужна арктическая медицина
Одним из знаменательных событий, прошедших в рамках конференции, стал «круглый стол», посвященный Технологической платформе «Медицина будущего» — мега-проекту, призванному качественно изменить ситуацию в отечественной медицине, фармации и медицинском приборостроении. На этом мероприятии академик РАМН Л. Е. Панин, директор НИИ биохимии СО РАМН представил новое направление в рамках технологической платформы — «Арктическая медицина». Не случайно это событие состоялось именно в рамках крупного международного научного форума, посвященного физической мезомеханике. Ведь подходы физической мезомеханики используются для описания процессов массопереноса через биологические наномембраны, представляющие собой не что иное, как жидкие кристаллы.
Л. Е. Панин несколько десятилетий своей жизни посвятил арктической медицине. Он был научным руководителем всемирно известных лыжных экспедиций Дмитрия Шпаро. Благодаря многолетним исследованиям сложились совершенно новые представления об адаптации человека в экстремальных условиях, были собраны бесценные данные, позволяющие максимально эффективно организовать питание, режимы дня и отдыха, контролировать состояние здоровья.
— Уже давно принято говорить о тропической медицине. В то же время, в настоящий период не готовят врачей, ориентированных на работу на Крайнем Севере, не существует перечня лекарственных средств, наиболее эффективных в этих условиях, — рассказывает Лев Евгеньевич. — На мой взгляд, сейчас, когда освоение шельфов Северного Ледовитого океана стало одной из важнейших геополитических задач, следует обратить внимание государства на необходимость поддержки арктической медицины, арктической фармации. Создание этих направлений является одной из задач медицины будущего, которая должна представлять собой некий государственный аппарат, цель которого — обеспечить высокую работоспособность человека в экстремальных условиях высоких широт, сохранить здоровье нации.
В Институте биохимии СО РАМН сделан ряд революционных открытий, которые ещё несколько десятилетий назад могли показаться чем-то из разряда фантастики. В условиях Крайнего Севера меняется структура биологических мембран. В этой связи одной из серьезных проблем является проблема направленного транспорта лекарственных веществ. Очевидно, что не медицина настоящего, а медицина будущего позволит использовать другие транспортные источники (липопротеины). Этот прорыв поможет на качественно ином уровне подходить к лечению диабета, туберкулёза, генопрофилактики и генокоррекции.
На круглом столе «Медицина будущего» были также представлены проекты учёных ИФПМ СО РАН, уже вошедшие в состав Технологической платформы по направлению «Многокомпонентные биокомпозиционные медицинские материалы». Напомним, что его головной организацией является Институт физики прочности и материаловедения, а координатором научно-технического Совета по направлению многокомпонентных биокомпозиционных материалов для медицины — профессор С. Г. Псахье, директор ИФПМ СО РАН.
В первом докладе А. Э. Сазонов, зав. лабораторией биохимии, зам. заведущего ЦНИЛ СибГМУ, рассказал о том, как продвигается работа по направлениям Технологической платформы. Он отметил высокий уровень разработок томских материаловедов, которые являются признанными лидерами в направлении биокомпозиционных медицинских материалов.
Д.т.н. М. И. Лернер, зав. лабораторией физикохимии высокодисперсных материалов ИФПМ СО РАН, представил новый антисептический ранозаживляющий перевязочный материал, который является альтернативой антибиотикам и химиопрепаратам при лечении ран и поверхностных инфекций (ежегодно от внутрибольничных инфекций погибает два миллиона человек). Этот материал способен обеспечить стопроцентную сорбцию микроорганизмов. Им пройдены все необходимые испытания, материал уже успешно применяется в клинической практике.
Проф. А. И. Лотков, зав. лабораторией материаловедения сплавов с памятью формы, зам. директора ИФПМ СО РАН по научной работе, представил проект, который осуществляется уже в течение трёх лет в рамках интеграционных проектов Сибирского отделения РАН. Его цель — разработка кардиологических стентов нового поколения с лекарственными покрытиями. Сплав, из которого будут делаться стенты, выполнен на основе никилида титана, одно из его свойств — сверхэластичность (это позволит обеспечить полноценное питание сосудов).
Проф. С. Н. Кульков, зав. лабораторией физики наноструктурных керамических материалов, рассказал о разработке технологии и создании производства керамических композиционных материалов в наноструктурном состоянии для биоинженерии гибридных скеффолдов и имплантатов широкой номенклатуры с биопокрытиями в приложении к регенеративной медицине. Выполненные тесты показали великолепные результаты, выживаемость клеток доходит до 100 %. В настоящее время создается промышленное производство, делается это совместно с фирмой «Биомедицинские технологии» на средства гранта, выделенного Министерством промышленности и торговли.
Проф. Ю. П. Шаркеев, зав. лабораторией физики наноструктурных биокомпозитов ИФПМ СО РАН, представил проект «Дентальные имлантаты на основе биосовместимых металлических наноструктурированных металлов и их сплавов с функциональными биопокрытиями». Сейчас отечественные дентальные имплантаты производятся лишь в Москве, Саратове и Нижнем Новгороде. В качестве материала используют титановый сплав, произведенный в США. В ИФПМ СО РАН создали различные комплекты дентальных имплантатов из наноструктурированного титана, а также инструменты и принадлежности, необходимые для проведения хирургических и ортопедических процедур. Это принципиально новая разработка, позволившая соединить высокие механические свойства титановых сплавов с исключением токсичных для организма легирующих элементов в титане, оптимизировать конструкции, обеспечив значительное ускорение процесса приживления имплантатов в организме. Уже доказано, что по своим характеристикам они превосходят импортные аналоги, а их стоимость при этом значительно ниже. Именно это позволит сделать их более доступными для населения России. Отечественные стоматологи уже проявили к новинке огромный интерес. Кстати, это ещё один очень важный момент: жизнь любого научного достижения оказывается особенно социально важной, если его примет медицинское сообщество.
Прошедшая конференция показала, что физическую мезомеханику можно смело назвать наукой нового тысячелетия. Она относится к числу тех научных направлений, которые решают самые актуальные для современного общества задачи: создаются новые технологии и материалы для медицины, электроники, авиа- и машиностроения, изучаются методы прогнозирования стихийных бедствий. Иными словами, открытия, сделанные фундаментальной наукой, в виде различных приложений приходят в жизнь обычного человека.
Фото С. Зеленской
стр. 4-5
|
