Сплавы и решётки

Мы сидим в университетской столовой в разгар обеденного перерыва. Бодрые молодые голоса, смех, звон посуды – «симфония» беззаботного студенчества во время большой перемены. Шумный аккомпанемент не мешает Анастасии Верховых, молодому физику, объяснять мне, безнадежному гуманитарию, строение объемно-центрированной кубической (ОЦК) решетки. Про водородное охрупчивание (разрушение некоторых металлов вследствие воздействия атомарного водорода – Прим. ред.) и скопление атомов водорода в кристаллической решетке она рассказывает так же непринужденно и легко, как иной пересказывал бы сюжеты вечерних новостей.

– Дефекты сплавов железа – актуальная проблема даже сегодня, – говорит Анастасия, – потому что идеальных кристаллических решеток не бывает. Избежать дефектов сплавов стали практически невозможно, но в этом и нет необходимости. Доказано, что металлы с дефектами, как ни странно, прочнее.

Чтобы объяснить, в чем заключается важность исследований, Анастасии пришлось обратиться к истории столетней давности. Первое упоминание о снижении напряжений вязкого и хрупкого разрушений стали при наличии водорода относится к 1875 году. Позже подобное явление было обнаружено и в других металлических системах. Однако в настоящее время до сих пор нет четкого понимания механизмов водородного охрупчивания металлов. Предполагается, что примесь водорода проникает в сталь при выплавке, во время различных процессов металлообработки или при эксплуатации стальных изделий. Благодаря своему малому радиусу атом водорода занимает междоузлия кристаллической решетки. Если в материале присутствуют дефекты, то водород взаимодействует с ними. Всё это влияет на кинетические и термодинамические свойства материала.

Как известно, прочность – одно из важнейших функциональных свойств конструкционных материалов. Физическая природа разрушения твердых тел кроется в обстоятельствах разрыва атомных связей под действием локальных напряжений и термических флуктуаций (флуктуация – колебание, периодическое изменение – Прим. ред.). Конкретизировать эти обстоятельства можно, если рассмотреть проблему на атомарном уровне. К сожалению, экспериментально сделать это не всегда возможно. Поэтому наряду с традиционными методами физического эксперимента всё большее внимание уделяется методам компьютерного моделирования. Для этого в Южно-Уральском государственном университете есть и технические возможности, и интеллектуальный потенциал.

Сказ о «СКИФ-Урале»

В 2007-м в рамках национального проекта «Образование» ЮУрГУ получил финансирование на приобретение суперкомпьютера «СКИФ-Урал». В следующем году в университете был открыт Суперкомпьютерный центр для моделирования прикладных и фундаментальных исследований. За этим последовало введение в эксплуатацию суперкомпьютера «СКИФ-Аврора», который на порядок превосходил «СКИФ-Урал» по мощности. Сегодня эксплуатируется «Торнадо ЮУрГУ», который является частью суперкомпьютера «СКИФ-Аврора ЮУрГУ», но для повышения надежности сконфигурирован как самостоятельный суперкомпьютер. В ноябре 2013 года «Торнадо ЮУрГУ» занял 127-е место в 42-й редакции рейтинга самых мощных компьютеров мира TOP500.

Получив возможность работать с Суперкомпьютерным центром, ученые кафедры общей и теоретической физики (и Анастасия Верховых в том числе) занялись расчетом электронной структуры кристаллов при помощи программного пакета WIEN2k. Он широко распространен в мире и позволяет получать результаты с достаточно высокой точностью. В его основе лежит метод функционала плотности в приближении Кона-Шэма, который используется при изучении свойств многоэлектронных систем. Высокая точность метода позволяет прогнозировать характерные особенности будущего металла и создавать теоретические предпосылки разработки новых материалов с заранее заданными свойствами.

– Мы занимаемся ab initio моделированием, то есть первопринципным моделированием, – продолжает Анастасия. – Это значит, что у нас нет подгоночных параметров, есть только постоянные решетки. Исходя из этого, пытаемся вычислить нужные параметры. Сделать это на обычном компьютере невозможно. Для самого простого вычисления иногда может понадобиться двое суток и 500 гигабайт места для временных файлов. Для этого нужен как минимум 32-ядерный процессор. Локальные же компьютеры обладают мощностью максимум четыре ядра.

Главное – настрой

Актуальность проблемы дефектов сплавов доказывают множественные исследования и поиски физиков по всему миру. По словам Анастасии, статья, которая была подготовлена ею в соавторстве с коллегами и опубликована в престижном зарубежном издании Molecular Physics («Молекулярная физика»), очень вовремя увидела свет. Если бы ученые ЮУрГУ выслали материалы чуть позже, было бы уже гораздо сложнее объяснить издателям, в чем на данный момент актуальность этих научных выводов в свете достижений других физиков.

Своими исследованиями и расчетами Анастасия Верховых и её коллеги с физического факультета занимаются совместно с кафедрой «Физическое металловедение и физика твердого тела» физико-металлургического факультета. Научные школы возглавляют Александр Аминулаевич Мирзоев (научный руководитель Анастасии) и Джалал Аминулович Мирзаев. Научный руководитель за последние годы стал для Анастасии практически вторым отцом.

На вопрос, как ей удается справляться с непростыми физическими и математическими задачами, молодая исследовательница отвечает, что всё дело в правильном настрое и мотивации.

– Когда училась в выпускном классе, часто болела. Из-за этого меня хотели выпустить со справкой вместо аттестата. На физический факультет поступала наряду с парнями – медалистами и победителями олимпиад. В итоге никто из них так и не доучился до последнего курса, а я получила красный диплом. И не собираюсь останавливаться на достигнутом. Нужно привлекать молодежь, заинтересовывать новых молодых ученых, – заключила Анастасия Верховых в конце нашей беседы.

В прошлом году она получила диплом, свидетельствующий о прохождении курса «Педагог высшей школы». Будет ли преподавать, покажет время. Пока первоочередная задача – написание и защита кандидатской диссертации.

– Обычно я определяю для себя план-минимум. Ставлю конкретную задачу и иду к её достижению. Пока для меня важнее всего диссертация, – говорит будущий кандидат наук. – А дальше посмотрим. Хотя понимаю, что университет стал для меня родным, кафедра – вторым домом. У нас очень хороший коллектив, и хотелось бы продолжить работу именно здесь.

Справка

Анастасия Верховых родилась 10 января 1989 года в Челябинске. В 2012-м получила диплом магистра по специальности «Прикладные математика и физика» с отличием, поступила в аспирантуру физического факультета на направление «Физика конденсированного состояния» (срок обучения – четыре года). Пишет кандидатскую диссертацию на тему «Влияние дефектов структуры на растворение водорода в железе».

Обладатель стипендий администрации Челябинска, губернатора Челябинской области и областного Законодательного собрания, стипендии президента РФ.

Победитель конкурса на соискание грантов промышленной группы «Метран» для студентов, аспирантов и молодых ученых, областного конкурса научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений, расположенных на территории Челябинской области, конкурса «ЮУрГУ в лицах – 2014» в номинации «За вклад в науку»; лауреат Всероссийского молодежного конкурса научных работ по современным проблемам фундаментальных и прикладных наук.

Принимает активное участие во всероссийских и международных научных конференциях и школах-семинарах. Опубликовала 10 работ в «Вестнике ЮУрГУ», работу в журнале РАН «Физика металлов и металловедение», статью в зарубежном издании Molecular Physics.