Только решая реальную задачу, можно понять, что именно тебе интересно

В рамках интеграционного проекта «Создание молодежных лабораторий по приоритетным направлениям МФТИ» в Физтех-школе физики и исследований им. Ландау (ЛФИ) этой осенью появилась лаборатория многомасштабного моделирования в физике мягкой материи. 

Николай Кондратюк, руководитель лаборатории, в интервью рассказал об идее ее создания, научных задачах, академических и индустриальных партнерах и, конечно, о перспективах студентов и аспирантов — сотрудников новой лаборатории.

 

Открытие лаборатории именно на Физтехе позволит привлечь к исследованиям самых сильных студентов

— Как появилась идея создания новой лаборатории и почему вы решили ее открыть именно на Физтехе? Трудно или легко организовать лабораторию в МФТИ?

— Идея возникла у меня несколько лет назад — в начале обучения в аспирантуре. Мне очень хотелось создать коллектив, который бы работал в области физики конденсированного состояния с фокусом на свойства жидких фаз вещества.

Открытие лаборатории именно на Физтехе позволяет привлечь к исследованиям самых сильных студентов со знаниями в фундаментальных областях, мотивированных и стремящихся достичь больших успехов в науке и индустрии. В МФТИ много опытных коллективов, работающих в смежных областях, с которыми было бы интересно установить сотрудничество. Например, с лабораторией скважинной, инженерной и разведочной геофизики, лабораторией суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния и лабораторией компьютерного дизайна материалов.

При создании нового подразделения в МФТИ возникает ряд организационных сложностей. Из-за особенностей проведения программы на реализацию плана на 2022 год выделено всего три с половиной месяца. Все руководители и службы института консультируют и помогают в решении вопросов. Те возможности, которые появятся после прохождения подготовительной работы, точно оправдают затраченные усилия.

Мы уже начали ремонт помещений и пригласили для консультации специалистов, занимающихся восстановлением архитектурного наследия. Кабинет находится в Лабораторном корпусе (ЛК) — в самом старом корпусе МФТИ — так что наслоения гипсокартона скрывают под собой любопытный декор пятидесятых. Интерьер будет очень необычным, приходите в гости в декабре.

В целом мы не планируем ограничиваться масштабами научной лаборатории, а собираемся создать площадку, на базе которой можно будет развивать взаимодействие между студентами МФТИ и уже состоявшимися молодыми учеными.

Мы с коллегой Никитой Ореховым уже договорились о проведении в лаборатории цикла открытых семинаров с несколькими нашими друзьями, добившимися международного признания в таких областях, как нанофотоника, материаловедение и теория спиновых жидкостей. Эти люди совсем недавно прошли путь от защиты диплома до статуса групп-лидеров и еще хорошо помнят все набитые по дороге шишки. Так что, помимо научного контента, будем обсуждать и более приземленные бытовые моменты, связанные с современными реалиями построения научной карьеры. Подробности по этому проекту можно найти на временном сайте. Там же студенты могут абсолютно анонимно задать любые вопросы о нюансах и перспективах работы в науке — мы внесем их в программу мероприятия и обязательно поделимся нашим, пусть и субъективным, но наверняка небезынтересным опытом.

За анонсами можно следить в Telegram-канале лаборатории, подписывайтесь!

 

Наши исследования востребованы экспериментаторами, которых интересуют процессы, происходящие на пико- и наносекундных масштабах в жидкостях

— Какими научными исследованиями будет заниматься ваша лаборатория? Для каких целей они нужны и какое практическое применение они имеют?

— В девятнадцатом веке физика научилась описывать разреженные неупорядоченные системы, такие как идеальный газ. На протяжении двадцатого возникли глубокие теории, дающие представления о плотных упорядоченных системах — то есть о кристаллах. А вот с промежуточным вариантом — с плотными неупорядоченными системами — у нас до сих пор большие проблемы. Причем к числу таких систем относится не только вода или какой-нибудь расплавленный металл, в эту категорию попадают и полимеры, а также значительная доля органических и биоорганических молекулярных смесей.

В качестве примера один курьезный факт: дебаевской модели теплоемкости для твердых тел уже более ста лет, а как подступиться к теории теплоемкости для жидкостей, никто до сих пор толком не знает. Если совсем коротко, корень проблемы лежит в том, что в жидкости нельзя выделить «малый параметр», через который можно было бы описать ее состояние в целом. Отсюда и необходимость в многомасштабных подходах: нельзя предсказать свойства жидкости, ограничившись рассмотрением лишь какой-нибудь наноразмерной «элементарной ячейки», как это делают с кристаллами. И здесь мы пока говорим только о предельно простых жидкостях, в расплавах полимеров или жидких смесях углеводородов история становится еще более увлекательной.

Песком мы, конечно, заниматься не планируем, но многокомпонентные молекулярные растворы во многом ведут себя похожим образом. По крайней мере, описывать их столь же непросто.

Если говорить более конкретно, то направления работы лаборатории включают в себя расчеты теплофизических свойств промышленных жидкостей, исследования образования комплексов ионов щелочных металлов с гетероциклическими соединениями, вопросы растворимости органических молекул в полярных и неполярных растворителях, моделирование переноса ионов через границу двух сред и сорбции органических молекул и ионов на поверхностях.

Такие работы нужны, например, для разработки моделей добычи трудноизвлекаемых запасов нефти. Львиная доля запасов нефти в России находится в коллекторах с низким коэффициентом извлечения. В переводе на русский это означает, что углеводороды не плещутся под землей в виде большой лужи, а заключены в сложную сеть микро- и нанопор внутри породы. Для нефтегазовых задач важно описывать изменение свойств флюидов и жидкостей при взаимодействии с поверхностями в нанопорах, тем самым уточняя существующие континуальные модели газо- и нефтедобычи. Методы молекулярного моделирования могут пролить свет на режимы течения жидкостей в нанопорах, фазовые переходы и вопросы адсорбции.

Наши исследования востребованы экспериментаторами, которых интересуют процессы, происходящие на пико- и наносекундных масштабах в жидкостях, сложно наблюдаемые экспериментально. Например, в работах с Екатериной Скорб и ее командой из НОЦ Инфохимии ИТМО мы проливаем свет на механизмы нуклеации и самоорганизации супрамолекулярных структур в водных растворах.

 

Мы открыты к новым взаимовыгодным контактам!

— С какими партнерами сотрудничает ваша лаборатория? Какие совместные проекты уже существуют? Какие планируются?

—  Мы сотрудничаем как с университетами и академическими институтами в России: ИТМО, НИУ ВШЭ, ОИВТ РАН, ИФВД РАН и Институтом металлургии УрО РАН, так и с зарубежными организациями. Также стараемся развивать взаимодействие с промышленностью. Мы открыты к новым взаимовыгодным контактам!

В рамках академического сотрудничества с ИТМО и зарубежными институтами мы проводим исследования механизмов самоорганизации в водных растворах меламина и циануровой кислоты. С НИУ ВШЭ занимаемся оптимизацией расчетов на суперкомпьютерах, создаем набор тестов производительности, позволяющих корректно оценить мощность для реальных приложений. Работа с ОИВТ РАН идет по смазочным жидкостям и нефтегазовым приложениям. Совместно с ИФВД РАН и Институтом металлургии УрО РАН рассчитываем свойства высокоэнтропийных расплавов металлов.

С промышленностью на данный момент установлены научные контакты в нефтегазовой области (ВНИИГАЗ, НТЦ Газпромнефть, Роснефть, Aramco) по атомистическому моделированию течений флюидов в порах. В данный момент активно обсуждается вопрос софинансирования исследований, которые должны начаться в следующем году.

 

Перспективы для студентов — это в первую очередь интересная тематика на стыке физики, химии и высокопроизводительных вычислений

— В вашей лаборатории уже работают студенты. Какие у них научные задачи и какие их ждут перспективы? Когда начнется новый набор студентов в лабораторию?

—  На этапе формирования лаборатории в штат вошли студенты бакалавриата, магистратуры, а также аспиранты ЛФИ МФТИ. Их задачи охватывают широкий спектр тематик: от исследования свойств органических молекул, растворенных в полярных и неполярных растворителях, процессов захвата ионов гетероциклическими соединениями, до диффузии воды в многослойном оксиде графена. Все студенты работали над данными задачами под руководством сотрудников еще до создания лаборатории. Часть студентов увлеклась задачами в рамках программы «Горизонты физики» и прохождения учебных курсов в образовательной программе «Вычислительная физика конденсированного состояния и живых систем».

Перспективы для студентов — это в первую очередь интересная тематика на стыке физики, химии и высокопроизводительных вычислений и последующие публикации исследований в высокорейтинговых журналах, поощряемые за счет средств лаборатории. Нашей целью является внедрение наработок в индустрию. Мы ведем переговоры с промышленностью, и ее представителей интересуют применения наших наработок в задачах нефтегаза. Для студентов это означает общение и с опытными коллегами из индустрии, и с сотрудниками различных научных организаций как на конференциях, так и на семинарах лаборатории с приглашенными докладчиками.

Сейчас штат лаборатории сформирован, но в начале следующего года мы готовы взять к себе еще несколько студентов, которые продемонстрируют свою заинтересованность научными задачами.

 

Я бы посоветовал студентам как можно скорее приступить к научной работе под руководством опытных коллег

— Вы окончили МФТИ. Какой факультет и когда? Как возник ваш интерес к тому, чем вы занимаетесь? Каков был ваш путь от выпускника до заведующего лабораторией? Что бы вы сказали студентам, которые сегодня выбирают свой путь в науке?

—  Я окончил ФМХФ в 2016 году. Будучи студентом, начал посещать лекции Генри Эдгаровича Нормана по классической молекулярной динамике, и это предопределило мой выбор кафедры. Мне понравились коллектив и предложенная тематика исследований — предсказание свойств жидкостей и процессов, протекающих в них, при помощи суперкомпьютерного молекулярного моделирования. Меня зачислили в Объединенный институт высоких температур РАН на должность лаборанта, где я проработал вплоть до должности старшего научного сотрудника.

Летом 2018 года, обучаясь в аспирантуре МФТИ, вместе с коллегами принял участие в двух конференциях в США. На одной из них нас пригласили попробовать свои силы в международном конкурсе по прогнозированию свойств промышленных жидкостей. За два месяца вместе с Василием Писаревым мы рассчитали зависимость вязкости от давления углеводородной жидкости. Я отправился представлять наши результаты в Питтсбург, на конкурсе мы заняли второе место. В 2019 году на этом же конкурсе мы обошли все команды. Эта история придала мне уверенности в наших силах, породила множество научных контактов и интересных задач.

 После победы мы подали заявку на международный конкурс, проводимый «Газпромом». Наш проект «Predictive Molecular and Multi-scale Modelling for Oil and Gas Industry Problems» в 2021 году занял первое место, что позволило принять участие в круглых столах по науке в данной отрасли и лучше понимать, в чем заинтересована индустрия.

В создании лаборатории мне очень пригодился опыт организационной деятельности. В студенчестве был профоргом ФМХФ на протяжении двух лет, помогал коллегам с организацией работ в отделе в ОИВТ РАН, продолжаю работу ученым секретарем симпозиума «Фундаментальные основы атомистического многомасштабного моделирования».

Я бы посоветовал студентам как можно скорее приступить к научной работе под руководством опытных коллег. Только решая реальную задачу, можно понять, что именно вам интересно, к чему есть предрасположенность и способности. Когда есть контекст, появляется дополнительная мотивация углубленно изучать основной курс Физтеха. Важно погрузиться в научное сообщество, чему способствуют семинары и тематические конференции. Это нужно для того, чтобы вы увидели, что не одни бьетесь над решением сложной задачи.