Математическая физикохимия: нижегородские учёные создают технологии будущего
Старший научный сотрудник А.Д. Плехович за загрузкой исследуемого образца в прибор синхронного термического анализа
Нижегородские учёные закладывают математический фундамент для технологий будущего — от оптических компьютеров до ресурсосберегающих производств. В Институте химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук (ИХВВ РАН) создана лаборатория, которая разрабатывает отечественные IT-инструменты, способные заменить зарубежный софт, и создаёт материалы нового поколения для микроэлектроники и фотоники.
Новая лаборатория с амбициозными задачами
Лаборатория информационно-вычислительной технологии высокочистых веществ и материалов (ИВТ) появилась в ИХВВ РАН всего год назад, но уже взялась за масштабную задачу — создание математической физикохимии. Звучит сложно, но суть проста: ученые разрабатывают отечественные IT-инструменты, которые помогут проектировать ресурсосберегающие технологии в химии, энергетике и при создании новых материалов.
Научное направление лаборатории — химия высокочистых веществ для микроэлектроники и фотоники, а также материалов и покрытий нового поколения. Возглавляет лабораторию доктор химических наук Александр Кутьин, который не только развивает теоретическую базу, но и ставит прикладные экспериментальные задачи.
Заведующий объясняет, почему эта работа так важна:
«Всякая естественная наука имеет математический аппарат, это как язык. Без этого языка ни одна наука существовать не может. Химия в этом смысле отстала от физики. И мы — те люди, которые пытаются всё-таки внедрить методы, дающие эффективнейшие результаты по рациональной переработке полезных ископаемых».
От математических моделей до оптических компьютеров
Как работает лаборатория? Ученые анализируют и прогнозируют, при каких оптимальных условиях можно получить материал нужного состава. Для этого они используют оригинальную компьютерную реализацию метода минимизации энергии Гиббса — сложный инструмент, позволяющий рассчитывать технологические процессы.
Александр Кутьин подчеркивает уникальность разработанной теории:
«Мы придумали теорию, которая описывает термодинамические свойства веществ в различных агрегатных состояниях, начиная от нуля Кельвина и проходя критическую точку. Такое уравнение состояния получено впервые в мире».
Особенно ценно, что в лаборатории создан уникальный банк данных о свойствах веществ в различных агрегатных состояниях — от абсолютного нуля и выше. Такого банка данных в мировой практике просто не существует. Он построен на оригинальной термодинамической теории и постоянно пополняется результатами экспериментов.
Экспериментальные исследования проводятся на современных приборах термического анализа. Александр Кутьин объясняет, как это работает на практике:
«Мы кладем граммульку, 30 миллиграмм вещества в этот прибор, и прибор показывает, какие в веществе идут фазовые превращения. Далее мы с помощью компьютерного комплекса расшифровываем все это и выясняем, каким образом получаются нужные нам вещества».
Одно из ключевых направлений работы — создание материалов для фотоники. Кандидат химических наук Александр Плехович объясняет, к чему всё это ведёт:
«База направления материалов для фотоники — это микрооптические интегральные схемы. Генеральная задача — оптические компьютеры, то есть переход от транзисторной схемы к полностью оптическим схемам. Надо все элементы обычного компьютера заменить на оптические. И вот как раз наши усилия направлены на то, чтобы создавать такие материалы оптического качества».
По словам Плеховича, речь идёт об одном из самых передовых направлений в мировой науке.
«Безусловно, это мировой вызов, — сказал он. — Оптический компьютер очень выгоден по энергетическим затратам — его работа обходится намного дешевле. А скорость вычислений может быть на десятки порядков выше, чем у традиционных решений. Сейчас в этой сфере идёт, скажем так, гонка. Это достаточно глобальная работа, поэтому говорить конкретно о какой-то одной стране не приходится. В первую очередь такие решения востребованы для серьёзных вычислительных центров».
Команда, которая меняет правила игры
Александр Плехович подчёркивает, что работа по оптическим материалам — их собственная инициатива, а лабораторная часть — термический анализ и формирование банка данных — тесно связана с теоретическими разработками Александра Кутьина.
Под его руководством в 2020 – 2025 годах выполнен цикл проектов, поддержанных Российским научным фондом, по созданию оптической стеклокерамики на основе эрбий-иттрий-алюминиевого граната. Разработаны синтез ультрадисперсной шихты и технология её лазерного спекания для изготовления микрооптических элементов и планарных устройств фотоники с заданными люминесцентными характеристиками.
Кандидат химических наук Кристина Балуева — специалист по системному термодинамическому анализу процессов получения материалов. Она участвует в нескольких грантах РНФ и обеспечивает научную базу для практических разработок.
Доктор технических наук Юрий Кириллов занимается математическим моделированием. Сейчас он исследует и оптимизирует процессы получения изотопно чистых силанов — важных материалов для полупроводниковой промышленности.
Вместе эта команда создаёт не просто научные публикации, а реальные инструменты, которые могут изменить подход к разработке технологий в целом ряде отраслей.
