В числе авторитетнейших учёных Южно-Уральского государственного университета, занимающихся изысканиями в данной области, – доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник кафедры компьютерного моделирования и нанотехнологий Александр Аминулаевич Мирзоев, чьи труды чрезвычайно востребованы фундаментальной и прикладной наукой как в России, так и за рубежом. А.А. Мирзоев читает курсы «Теоретическая механика», «Компьютерные методы моделирования материалов», «Статистическая физика», «Физическая кинетика», «Квантовая физика твёрдого тела».
Тяга к знаниям – семейное
– Родился я 18 мая 1952 года в Душанбе – рассказывает учёный. – Тягу к знаниям привили родители – учителя физики и математики. Семья наша довольно необычна. Мама – русская, дочь сельского священника, а отец – иранец, родившийся в Ашхабаде в семье бахаистов, покинувших Иран из-за религиозных преследований в конце XIX века. Встретились они во время учебы в 1920-е годы в педагогическом институте при Казанском университете. Мама много рассказывала о своих преподавателях – выдающихся профессорах казанской математической школы Н.Г. Чеботарёве, П.А. Широкове, Н.Н. Парфентьеве, ставших примерами для подражания, и в какой-то степени её рассказы повлияли на нас, детей. Но, конечно, самое главное – атмосфера семьи, в которой всегда был культ знаний. Все дети связали свою жизнь с наукой и техникой. Старшая сестра Джемма окончила Московский институт инженеров транспорта и работала всю жизнь инженером-проектировщиком гражданского строительства. В Свердловске (ныне Екатеринбург) с её участием построен ряд домов и общественных зданий, например, киноконцертный театр «Космос», свердловский цирк, комплекс зданий Исторического сквера. Старший брат Рустам окончил Ленинградский политехнический институт и сейчас работает там профессором электрохимии. Существенное влияние на мой выбор профессии оказал второй брат, Джалал Аминулович Мирзаев, который в то время уже работал в ЧПИ на кафедре физики металлов и металловедения вместе с М.М. Штейнбергом. Каждое лето он приезжал домой в отпуск и будоражил моё воображение рассказами об удивительных явлениях в мире металлов и сплавов. Кстати, отличия в фамилиях и отчествах – не ошибки редактора. Мы все родные братья, но родились в разных республиках СССР, поэтому фамилии и отчества у нас записаны во всех документах по-разному.
Джалал окончил Уральский политехнический институт (ныне УрФУ) и мне посоветовал поступать туда же, но на физико-технический факультет. В то время активно развивалась наука, в том числе ядерная физика, а также атомная промышленность. Физики казались широкой публике особенными людьми, меняющими мир – все смотрели советские киноленты про учёных-физиков, всецело преданных своему делу, например «Девять дней одного года», чувствовали романтику науки, поэтому на соответствующие специальности в вузах был большой конкурс.
Врата учёности
Одним из лучших наших преподавателей был талантливый физик Сергей Петрович Довгопол. Он занимался теорией жидких металлов, в том числе железа, что очень важно для металлургии. В УПИ под руководством известного физхимика Павла Владимировича Гельда сложилась группа исследователей, экспериментально изучавшая расплавы железа. Они получили много интересных результатов, С.П. Довгопол старался выстроить значимую теорию «жизни» этих явлений и привлёк к работе меня. В то время появились первые достаточно мощные электронно-вычислительные машины, хотя и далеко не такие, как сейчас. Назывались, если память мне не изменяет, «Минск-22», были очень большими – занимали, наверное, целую комнату. Задачи для них составлялись на перфокартах. Работа эта меня заинтересовала и во многом определила мою дальнейшую судьбу.
Образовалось сообщество молодых учёных, работавших на ЭВМ. Тогда я впервые услышал имя Владимира Александровича Губанова, сыгравшего значимую роль в истории отечественного компьютерного моделирования. Он ещё в начале 70-х прошёл солидную стажировку в США у профессора Д. Эллиса, у которого была одна из первых в мире компьютерных программ для расчёта свойств металлов (X-альфа-метод), и так эта программа попала в свердловский Институт химии твёрдого тела. С её помощью стало возможным исследование свойств материала на атомарном уровне – и молодые учёные Свердловска страстно увлеклись новым методом. В.А. Губанов наладил тесные связи с профессором Фриманом из США, где прошли обучение многие уральские исследователи, ставшие теперь признанными мировыми лидерами компьютерного моделирования, в том числе В.И. Анисимов, А.В. Постников, О.Н. Мрясов, О.Ю. Концевой, А.Б. Шик.
В 1982-м я защитил кандидатскую диссертацию. Думаю, тоже присоединился бы к этой группе – но вынужден был переехать в Душанбе: умерла мама, и нужно было помогать отцу.
Изыскания на Памире
В Душанбе я поступил на работу на физфак Таджикского государственного университета, где занимался уже другой, хоздоговорной, тематикой – наша группа исследовала старение полимеров под воздействием сильной солнечной радиации, ультрафиолета и атмосферных явлений. Заказчиками выступали Московский авиационный институт и НПО «Энергия» – создатель ракетно-космической системы «Энергия-Буран»: в аэрокосмической промышленности активно использовали углепластики и многие типы полимеров на основе тефлона.
Экспериментальную работу проводили в горах Таджикистана – на Памире, на высоте двух с половиной (Хорог) и четырёх километров, в районе посёлка Чечекты в 50 километрах от Мургаба. Что любопытно: мы там обнаружили крепкий бревенчатый домик – при том, что местность эта безлесная. Оказывается, в 1930-х здесь работали наши учёные-биологи, изучавшие возможности выращивания сельхозкультур на высокогорных равнинах Памира – для них-то и возвели это строение, привезя брёвна издалека. Полимерная тематика была достаточно успешна, поэтому в 1986 году меня направили на годичную стажировку в Карлов университет, в Прагу, где я получил первый опыт работы в европейском вузе.
В конце 1991-го в Таджикистане началась гражданская война, работы не стало. В 1993-м приехал в Челябинск, где тоже времена были непростые. До сих пор глубоко благодарен ректору ЧГТУ (ЮУрГУ) Герману Платоновичу Вяткину, который принял меня на свою кафедру и выделил жильё.
Монте-Карло в науке
Став доцентом кафедры общей и теоретической физики ЮУрГУ, я попал в компанию единомышленников. Дело в том, что на кафедре уже работали два профессора – Валерий Петрович Бескачко и Борис Рафаилович Гельчинский, – которые тоже учились в Свердловске и исследовали электронные свойства расплавов. Было решено заняться компьютерным моделированием жидких металлов, но на новом уровне – применяя методы молекулярной динамики и Монте-Карло (когда используются случайные события, как в казино). Для этого необходимо знать зависимость силы взаимодействия между частицами от расстояния между ними. Для точечных заряженных частиц ответ даёт закон Кулона – но атомы внутри металла на точки не похожи: они «плавают в море» коллективизированных электронов. Для щелочных металлов неплохой результат дают методы, основанные на приближении псевдопотенциала, поэтому для начала мы ограничились именно этими металлами.
Жидкие металлы
В начале 90-х мы с Б.Р. Гельчинским приступили к изучению свойств жидких натрия, калия, цезия, рубидия. Важнейшей характеристикой жидкого металла является скорость звука в нём, которая легко измерима и позволяет контролировать состояние расплава. Но для расчёта скорости звука нужно уметь определять спектр колебаний. Пришлось разбираться с новым теоретическим подходом для описания конденсированных сред – методом рекурсии. Возникла ещё одна проблема, характерная для жидкостей. Компьютер выдаёт вам набор координат атомов, длинный лист бумаги с цифрами. А как узнать из этих цифр, какова структура жидкости и как она меняется при изменении температуры? Догадались применить для описания структуры метод разбиения пространства, заполненного дискретными точками-атомами, на многогранники, изобретённый русским математиком Г.Ф. Вороным. Теперь компьютер строил многогранники и выводил нам их распределения по объёму, площади граней, длине рёбер. Такие распределения являются как бы «отпечатком пальцев» структуры расплава, они уникальны, и их изменения можно изучать. Использовать такой подход мы стали одними из первых в мире. В 1999 году первая наша статья вышла в престижном международном издании Journal of Non-Crystalline Solids, с тех пор наша группа – постоянный участник ведущей мировой конференции по жидким металлам LAM (Liquid and Amorphous Metals).
Интерес к жидким металлам связан с их использованием в качестве теплоносителей для ядерных реакторов либо в области металлургии стали. В любом случае интересны не чистые металлы, а сплавы. Нужно было искать замену псевдопотенциальным методам. В 1997 году я съездил в Екатеринбург, в Институт химии. К тому времени В.А. Губанов и многие его сотрудники уже перебрались за рубеж, но наш знакомый О.Ю. Концевой ещё был там и любезно предоставил пакет программ LMTO. В этом пакете, разработанном О.К. Андерсеном в Штутгарте, взаимодействие между атомами рассчитывается квантово-механически, на основе решения уравнения Шрёдингера. Такой расчёт долог и трудоёмок, поскольку атомы постоянно пребывают в движении и уравнение необходимо решать на каждом шаге. Возникла проблема – время расчётов исчислялось неделями, и каждый скачок напряжения заставлял начинать работу заново.
На помощь снова пришёл Герман Платонович Вяткин – выделил нам средства на покупку первого в ЮУрГУ отечественного суперкомпьютера МВС-1000. Много сил потребовалось, чтобы разобраться с теорией и методикой квантового моделирования. Но теперь нам открылась возможность моделировать любые вещества, и мы начали расчёты жидких сплавов. В 1999-м я защитил в ЮУрГУ по этой тематике докторскую диссертацию, которая затем в виде книги «Вычислительные методы микроскопической теории металлических расплавов и нанокластеров» вышла в издательстве «Наука».
К этому времени мы шаг за шагом освоили практически все существующие в мире пакеты программ – WIEN-2k, SIESTA, Quantum Espresso. Новые возможности толкали нас искать новые сферы их применения. Пробовали заняться изучением строения модных наночастиц-фуллеренов, представляющих собой сферическую оболочку из атомов углерода. Действительно, фуллерен идеален как оболочка для лекарства, не дающая ему растворяться в желудке. А прицепив к нему атом железа, можно передвигать таблетку по организму с помощью магнитного поля, которое медики уже научились применять в установках магниторезонансной томографии. Эта тема увлекла аспиранта, ныне уже доцента, Сергея Созыкина, и стала главной в его исследованиях.
Мой брат Д.А. Мирзаев, известный в мире специалист по физике металлов и сплавов, в первое время относился к возможностям компьютерного моделирования с определённым скептицизмом. Но, тем не менее, предложил мне сделать на компьютере расчёты для решения интересовавшей его реальной проблемы: как взаимодействуют примеси в сплавах? В роли интегрального показателя взаимодействия атомов разных «сортов» в сплаве выступает энергия смешения. Если она положительна, то атомы разных «сортов» отталкиваются, если отрицательная – притягиваются. Взялись за связку «железо – хром»: сталь становится нержавеющей, если хрома более двенадцати процентов. Считалось, что атомы железа и хрома в подобных сплавах должны отталкиваться – однако расчёты на ЭВМ показывали прямо противоположное! Джалал Аминулович Мирзаев встретил этот результат очень настороженно. Повторили расчёты с помощью другого пакета, более точного – с тем же результатом: если в стали десять и менее процентов хрома, атомы разных «сортов» притягиваются друг к другу, если больше – отталкиваются. Это казалось невероятным. С публикацией результатов не торопились – опасались, что научное сообщество примет их в штыки. И зря: вскоре увидела свет статья И. Абрикосова из шведского Королевского технического университета на ту же тему, содержавшая те же выводы, к которым пришли мы. Так что наша осторожность стоила нам первенства. Но уже энергии смешения сплавов железа и марганца и железа и никеля мы рассчитали первыми в мире. Этот цикл работ удостоен премии Международной академической издательской компании «Наука/Интерпериодика» в номинации «Физика» за 2008 год. Интерес к ним проявили и зарубежные коллеги. Меня стали приглашать на очень престижный международный семинар по компьютерному моделированию сталей Ab initio Description of Iron and Steel, где собираются самые известные «модельеры» сталей со всего мира, – он проводится в замке Ринберг, в Германии.
Ещё о научных исследованиях
После этого мы с братом занялись проблемой флокенов – водородных трещин в поковках. Суть в том, что все открытые плавки делаются в атмосфере, где присутствуют в том числе и пары воды – которая при высокой температуре распадается на водород и кислород. Водород поглощается жидкой сталью. Причём концентрация его достаточно велика, а растворимость в стали с понижением температуры резко падает. Но при этом водород не успевает улететь в атмосферу – и стремится в любую, самую крошечную пустоту внутри металла. А попав туда, создаёт огромное давление, что очень часто приводит к появлению трещин – флокенов. Избавиться от них невозможно, единственный выход – переплавить весь металл заново. Соответственно, труд, время, топливо – всё оказывается выброшено на ветер. Мы принялись выяснять, как атомы водорода взаимодействуют с различными примесями, каковы границы зёрен, где в кристаллической структуре возникают вакансии, способные захватывать до шести атомов водорода каждая. Результаты расчётов позволили предложить реальные методики борьбы с флокенами.
Другая интересная тема, которой мы занимались, – мартенситное превращение при быстром охлаждении горячей стали. Сам процесс был в общих чертах известен, но многие детали неясны до сих пор. Однако мы серьёзно продвинулись в понимании его механизмов.
Об учениках и не только
За годы преподавательской работы многих студентов удалось заинтересовать компьютерным моделированием. Семь моих аспирантов стали кандидатами наук, а три бывших студента защитили диссертации за рубежом. К сожалению, за границей гораздо выше спрос на таких специалистов. В частности, в изысканиях подобного рода крайне заинтересованы предприятия различных отраслей машиностроения – аэрокосмической, автомобильной, судостроительной – и металлургии, например, такой гигантский концерн, как ThyssenKrupp AG. А ещё фармацевтические компании – ведь создание новых лекарств сулит огромные прибыли. Гигантские скачки здесь делает Китай: там учёных и научных центров, работающих по этой тематике, – не сосчитать. Поэтому-то мои ученики оказались востребованы за рубежом. Сейчас стало очень мало студентов, знающих квантовую механику, которые могли бы продолжить наше дело. К сожалению, во многих учебных заведениях её не преподают вовсе, да и вообще уровень преподавания физики упал. А ведь именно квантовая механика является физикой XXI века. Без неё просто невозможны прорывы и инновации в технической сфере. Сверхпроводимость, квантовые точки, наночастицы, лазеры, плазмонные и экситонные микродатчики, наконец, квантовый компьютинг, эра которого приближается неуклонно, – всё это требует изучения квантовой физики. Напоследок отмечу, что в США в 2013 году президент Обама запустил правительственную программу Materials Genome Initiative, направленную на создание новых материалов за короткий срок и самым дешёвым способом. Для решения этой задачи в первую очередь применяется компьютерное моделирование. К этой инициативе уже подключилась Европа. Так что перспективы у нас есть.