Экзопланеты, алмазы, пожары: что физики ТПУ делают для мировой науки

ТОМСК, 3 июн – РИА Томск. Создание коллайдеров и алмазных покрытий, поиск экзопланет и технологии тушения лесных пожаров – ученые Томского политеха (ТПУ), специализирующиеся на этих разных, на первый взгляд, темах, с осени 2017 года объединены в Исследовательской школе физики высокоэнергетических процессов. Зачем она создавалась и как поможет мировой науке – в материале РИА Томск.

Две вершины

Физика и химия – наиболее перспективные науки в ТПУ. Это стало понятно, когда проанализировали публикационную активность ученых политеха, их цитируемость, а также положение вуза в предметных рейтингах. Для дальнейшего развития самых плодовитых коллективов были сформированы две исследовательские школы: химических и биомедицинских технологий и физики высокоэнергетических процессов.

"Задачи нам поставили две: готовить профессиональных исследователей (то есть ученых – в отличие от инженерных школ, которые должны целенаправленно выпускать инженерную элиту) и заниматься наукой в самых передовых областях", – говорит директор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Игорь Степанов.

Он поясняет, что у курируемого им направления "две вершины".

"С одной стороны, изучается физика высоких энергий, то есть процессы, происходящие при высоких энергиях сталкивающихся частиц. Чем, собственно, занимаются на Большом адронном коллайдере (БАК) и других современных ускорителях. С другой стороны, исследуются более "приземленные" энергетические процессы – зажигание, охлаждение, экстремальные состояния вещества и так далее", – говорит Степанов.

Для мировой науки, да и мира в целом, эти исследования суперактуальны, ведь за сложными научными формулировками стоят насущные проблемы. Например, у одной из групп новой политеховской школы работа направлена ни много ни мало на снижение скорости глобального потепления.

Этой темой в частности занимается группа профессора Павла Стрижака, которая исследует физику экстремальных состояний вещества. 

"Здесь и анализ лесных пожаров (ученые моделируют их формирование и распространение, предлагают эффективные способы борьбы с огнем), и технологии охлаждения реакторов, и создание новых видов топлив или эффективных способов сжигания традиционного топлива, которые снижают выброс продуктов горения в атмосферу и, следовательно, парниковый эффект", – приводит примеры Степанов.

Другая актуальная область исследований – спектроскопия высокого разрешения. Один из наиболее продуктивных коллективов в этой сфере – группа профессора Олега Уленекова. Ежегодно ею публикуется больше десятка статей в высокорейтинговых журналах. Группа разрабатывает новые методы спектроскопии высокого разрешения для исследования атмосфер Земли, планет Солнечной системы, физической химии.

"Спектр молекулы дает исчерпывающую информацию о ее структуре, характеристиках внутримолекулярных взаимодействий и так далее. Эти данные позволяют решать важнейшие фундаментальные и прикладные задачи, например, исследователи могут делать выводы об атмосферах планет, что поможет найти экзопланеты или, скажем, отслеживать и предсказывать происходящие в земной атмосфере процессы", – поясняет Степанов.

Сумасшедшие компетенции

Руководитель школы подчеркивает важную деталь: физики ТПУ не замыкаются в своих томских лабораториях, а активно работают в больших коллаборациях, таких как Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) в Швейцарии, КЕК в Японии, DESY в Германии. По словам Степанова, от "выездной" модели проведения исследований выигрывают все.

"Наши студенты, аспиранты, ученые получают сумасшедшие компетенции – и от работы, и от атмосферы вокруг. При этом в развитие коллабораций они вносят немаленький вклад. Например, в ЦЕРНе существует задача контроля положения пучков заряженных частиц: два пучка диаметром, сопоставимым с толщиной человеческого волоса, разгоняются навстречу друг другу на скоростях, близких к скорости света. И они должны точно попасть друг в друга. А кольцо коллайдера – 27 километров", – говорит он.

Для диагностики положения пучка группа профессора Геннадия Ремнева разрабатывают алмазные и сапфировые детекторы, проводя фундаментальные исследования в области импульсно-пучковых и плазменных технологий.

"Алмазоподобные открытия наносятся десятки лет, тут больших чудес нет. Но специфика детекторов в том, что для них нужны очень чистые покрытия, в которых отсутствуют какие-либо дефекты. Для этого нужно решить много фундаментальных задач: как сформировать плазму, как из нее вырастить кристаллы алмазов и в каких условиях", – рассказывает Степанов.

В перспективе из этих исследований может получиться вполне практическая вещь не только для большой физики, но и для вполне прикладных целей, например, алмазные покрытия нового типа сделают более качественными режущие инструменты.

Конечно, перед учеными, занимающимися фундаментальной наукой, никогда не ставится задача принести миру сиюминутную практическую пользу. Но, как подчеркивает руководитель исследовательской школы, теория и практика часто естественным образом переплетаются.

"Интернет возник благодаря фундаментальной науке: ЦЕРНу нужно было обрабатывать большие потоки данных. С запуском БАК потоки данных стали еще больше, и системы распределения, которые сейчас сделали в ЦЕРНе, через 5-10 лет, возможно, массово распространятся и позволят передавать трехмерное видео с полным набором ощущений", – отмечает Степанов.

Главные персоны школы

Из 127 человек, числящихся в Исследовательской школе физики высокоэнергетических процессов, сформировано 13 лабораторий и научных групп.

Проблемная научно-исследовательская лаборатория электроники диэлектриков и полупроводников (научный руководитель – профессор Анатолий Суржиков, заведующая лабораторией – Елена Лысенко) специализируется на изучении эффектов и явлений в неорганических материалах при совместном воздействии высоких температур и мощных радиационных потоков. На основе эффекта генерации импульсного электромагнитного излучения неметаллическими материалами при их деформации разрабатываются вычислительные комплексы для прогноза качества и функционального состояния объектов контроля.

Научная лаборатория высокоинтенсивной имплантации ионов (заведующий – профессор Александр Рябчиков) выполняет фундаментальные исследования в области разработки новых методов и систем для формирования высокоинтенсивных пучков ионов газов и металлов, очистки плазмы вакуумной дуги от микрокапельной фракции, новых методов ионно-лучевой и плазменной обработки материалов для модифицирования их микроструктуры и эксплуатационных свойств. Научные результаты, полученные в лаборатории, открывают принципиально новые возможности ионного легирования металлов на глубинах в десятки и сотни микрометров, что ранее было недостижимым.

Группа профессора Геннадия Ремнева выполняет фундаментальные и прикладные исследования в области импульсно-пучковых и плазменных технологий, включая разработку мощных импульсных ускорителей заряженных частиц с энергией до 500 кэВ и технологии их практического применения. Области плазменных технологий включают синтез сверхтвердых функциональных покрытий на основе поликристаллического алмаза, многослойных высокотемпературных структур, способных стать основой суперконденсаторов с рекордной емкостью, высокоэнтройпийных керамик, являющихся перспективным материалом для создания новых летательных аппаратов, двигателей и турбин.

Группа профессора Александра Потылицына выполняет фундаментальные исследования процессов генерации излучения, возникающего при взаимодействии заряженных частиц и их полей с веществом, в том числе с периодическими структурами. На основе полученных данных развиваются новые подходы к диагностике параметров пучков заряженных частиц современных ускорителей. Разрабатываются методы диагностики размеров микронных пучков будущего электрон-позитронного коллайдера, а также методы диагностики длин субфемтосекундных пучков рентгеновских лазеров на свободных электронах.

Группа профессора Антона Галажинского занимается исследованием симметрий и развитием геометрических идей в физике. Научный коллектив разрабатывает геометрический подход к описанию интегрируемых систем на основе формализма общей теории относительности Эйнштейна, исследует интегрируемые системы, ассоциированные с геометрией черных дыр вблизи горизонта событий, занимается построением и изучением интегрируемых систем по заданной группе симметрий.

Группа научного сотрудника Арсения Чулкова выполняет исследования в области неразрушающих испытаний композиционных материалов авиакосмической и ракетной техники, используя активный тепловой контроль. Группой проводятся исследования в области ультразвуковой инфракрасной термографии, предназначенной для обнаружения сложных с точки зрения обнаружения классическим тепловым методом дефектов типа трещин.

Группа профессора Алексея Юрченко специализируется на разработке комбинированных энергетических систем на основе возобновляемых источников энергии. Созданы комбинированные теплосолнечные элементы, позволяющие увеличить эффективность преобразования солнечной энергии до 40%. Еще одно перспективное направление исследований связано с разработкой волоконно-оптических систем контроля для безопасности объектов горного производства.

Группа профессора Владимира Пичугина занимается фундаментальными исследованиями процессов формирования, структуры, физико-химических и функциональных свойств биосовместимых покрытий, синтезированных в плазме магнетронного разряда. Исследуется функциональная активность клеток крови и молекулярные механизмы выживания и гибели клеток крови при контакте с покрытиями. Разрабатываются изолирующие трековые мембраны на основе полимерных материалов, в том числе биодеградируемых, для лечения буллезной кератопатии.

Группа профессоров Андрея Трифонова и Валерия Любовицкого сконцентрирована на фундаментальных исследованиях в области теоретической физики и физики элементарных частиц. Исследования проводятся как в рамках, так и вне рамок стандартной модели. Научные интересы группы также связаны с разработкой методов точного и приближенного интегрирования нелокальных модельных уравнений, описывающих поведение сложных нелинейных систем.

Группа профессора Павла Стрижака занимается моделированием процессов тепломассопереноса и включает такие тематики, как энергоэффективное зажигание высокоэнергетических материалов локальными источниками нагрева; термическая очистка жидкостей на основе эффекта взрывного разрушения капель; перспективные технологии охлаждения реакторов растворами, эмульсиями и суспензиями; методов измерения температуры; научные основы технологии эффективного тушения лесных пожаров тонкораспыленной жидкостью с применением авиации.

Группа профессора Олега Уленекова занимается разработкой новых методов спектроскопии высокого разрешения для исследования атмосфер Земли, планет Солнечной системы, физической химии и других многочисленных фундаментальных и прикладных задач.

Группа профессора Константина Коротченко развивает фундаментальные исследования, направленные на изучение квантовых особенностей излучений и их взаимодействий с веществом в широком спектральном диапазоне, от оптического до жесткого рентгеновского, а также на создание перспективных источников излучения для физических и биомедицинских исследований. Прикладные направления исследований группы связаны с созданием математических моделей выхода лекарственных препаратов из систем адресной доставки лекарств.

Группа профессора Евгении Шеремет занимается созданием устройств гибкой оптоэлектроники для решения задач персонализированной медицины. Одно из приоритетных направлений исследований связано с разработкой гибких нательных сенсоров на основе оксида графена. Оптоэлектронные устройства используют двумерные полупроводники, которые отличаются высокой эффективностью и гибкостью. Оптическая наноспектроскопия на основе плазмоники позволяет обнаруживать вредные или опасные химические вещества с уникальной чувствительностью, а в биологических системах одновременно диагностировать и лечить серьезные заболевания за счет локального уничтожения выбранных клеток.