Аспирантура

Делать расчеты в химии и геологии приходится по разным причинам. Например, они значительно облегчают проведение экспериментов, на порядки сокращают расходы, связанные с ними. Расчеты, которые проводит старший научный сотрудник, кандидат геолого-минералогических наук Павел ГАВРЮШКИН из Института геологии и минералогии им. В.С.Соболева СО РАН, помогают разобраться в закономерностях строения вещества, найти новые пути его изучения. Если быть точным, то речь идет о карбонатах, содержащих щелочные элементы. А еще точнее - о том, какие изменения произойдут в них при высоких давлениях. Насколько важна тема, поддержанная грантом Президента РФ, какие теоретические и экспериментальные исследования предстоит выполнить, чтобы решить поставленные задачи? Об этом - в беседе молодого ученого с нашим корреспондентом.

- Карбонаты - это соединения, содержащие в своей структуре группу из трех атомов кислорода и одного атома углерода: атомы кислорода расположены по вершинам правильного треугольника, а углерод в его центре, - объясняет Павел Николаевич. - Сейчас мы занимаемся карбонатами со щелочными элементами. Это простые вещества, хорошо известные всем поташ (карбонат калия) и сода (карбонат натрия). Также работаем со сложными карбонатами, в составе которых несколько щелочных металлов, например натрий и кальций.

Трудность работы со щелочными карбонатами в их высокой гигроскопичности (способности поглощать воду). Например, поташ при контакте с воздухом уже в первые минуты и даже секунды образует гидратированную фазу, в которой кроме исследуемого вещества присутствуют также молекулы воды. Это сильно осложняет работу экспериментаторам. Если ставить эксперименты не с чистым карбонатом, а с примесью гидрата, то анализ получаемых данных будет на порядок сложнее или станет невозможен, и придется заново ставить эксперимент. Особенность нашего проекта в совместном использовании экспериментальных подходов и теоретических методов квантовой химии. В нашем коллективе есть теоретики-расчетчики и экспериментаторы. Сам я, так получилось, поработал в обеих этих областях, сейчас, в основном, провожу расчеты. По опыту могу сказать, что предварительные расчеты могут на порядок сократить объем экспериментальных работ и связанных с ними расходов.

Наши эксперименты проводятся при высоких давлениях и температурах. В каждой области знаний свое понятие о том, что это значит. Для нас это давления до 80 ГПа и температуры до 1500оС. Цель экспериментов - определить, что произойдет с карбонатами при этих условиях. Многие знают, что при сжатии графит превращается в алмаз. Со щелочными карбонатами наверняка будут происходить не менее сильные изменения.

- Как создаются высокие давления и температуры?

- Со школы мы помним, что давление обратно пропорционально площади, на которую действует сила. Если необходимо увеличить давление, то нужно уменьшать площадь. Этот принцип лежит в основе техники, создающей высокие давления. Объем рабочей области в аппаратах высокого давления варьирует от нескольких кубических сантиметров до нескольких кубических микрон. Эти аппараты можно разделить на две группы: прессы и алмазные ячейки. Первые представляют собой стальные установки весом в несколько тонн, давление в которых создается за счет нагнетания масла. Вторые - небольшие устройства размером с ладонь, которые можно переносить в кармане. Давление в них создается между двумя наковальнями, изготовленными из кристаллов алмаза. Исследуемый образец помещается между этими наковальнями. Они, сближаясь, давят на образец. Сближение проводят, затягивая болты обычной отверткой. Объем рабочей области алмазных ячеек на порядок меньше. Максимальное давление, которого можно достичь, соответственно, на порядок больше, чем в прессах. Рекорд алмазных ячеек, насколько я знаю, 600 ГПа. Эта цифра превышает давление в центре нашей планеты. Рекорд прессов - порядка 80 ГПа.

Нагрев в экспериментах высокого давления может быть либо резистивным (так нагревается вода в чайнике), либо лазерным. Второй вариант возможен только для алмазных ячеек, так как алмаз, в отличие от пресса, прозрачен для лазерного излучения. Вообще, алмазные ячейки гораздо больше подходят для так называемых in situ исследований, когда измерения проводятся непосредственно в ходе эксперимента. В нашем случае - это изменение положения атомов в сдавленном и нагретом кристалле. Чтобы проводить такие измерения, необходимо пропустить через образец рентгеновское излучение и посмотреть, как оно изменится. В экспериментах высокого давления это излучение должно быть очень ярким, чтобы просветить две алмазные наковальни и образец. В прессах образец также можно просвечивать рентгеном, но нужно сделать окна из прозрачного для этого излучения материала. Мы планируем провести эксперименты на ускорителе Spring-8 (Япония) и на ускорителе Сибирского центра синхротронного и терагерцового излучения в Новосибирске. На первом ускорителе будем проводить эксперименты в прессах, на втором - в алмазных ячейках. Большое преимущество второго ускорителя в том, что он находится в пяти минутах ходьбы от нашего института (в соседнем здании). На японский синхротрон мы можем ездить один-два раза в год, там приходится все делать в очень быстром темпе. В “быстром темпе” - это работая круглосуточно, по очереди подменяя коллег у приборов. Всем, кто работал на синхротронах, хорошо знаком такой режим.

- Расскажите о ваших расчетных методах.

- Я занимаюсь теоретическими методами “предсказания структур”. Этот термин вызывает у многих настороженность, при слове “предсказание” люди представляют скорее магов и чародеев, чем ученых. Однако этот метод строго научен, основан на сложных математических алгоритмах и такой серьезной науке, как квантовая химия. Задача - зная силы, действующие между атомами, определить их расположение, соответствующее наименьшей энергии. Именно такие состояния встречаются в природе, они должны реализовываться и в эксперименте. Трудность решения этой задачи в том, что возможных вариантов расположения атомов очень много. Если рассматривать их все, то не хватит мощностей всех имеющихся суперкомпьютеров. Поэтому нужно отыскать лучший вариант, изучив лишь небольшое их количество. В нашем проекте мы будем пользоваться эволюционными алгоритмами предсказания структур. Идея этих методов взята из общей идеи эволюции:  расположение атомов, которое изначально произвольно, пошагово улучшается - до тех пор, пока не станет самым лучшим (обладающим минимальной энергией). Такие расчеты требуют больших вычислительных мощностей. Можно, конечно, считать и на обычном персональном компьютере, но в этом случае время расчета увеличивается на порядки. Эволюционные методы хорошо зарекомендовали себя на самых разных веществах. Наши предварительные тесты по щелочным карбонатам показали, что и на этих объектах результаты хорошо согласуются с экспериментом. Теоретически предсказанное расположение атомов калия, углерода и кислорода в структуре поташа в точности соответствует расположению атомов, определенному экспериментально. Как я уже сказал, для нас использование теоретических методов особенно актуально, в том числе из-за трудностей, связанных с проведением измерений в экспериментах при экстремальных условиях (высоких давлениях и температурах).

- Какие расчетные мощности вы используете?

- Для проведения расчетов мы пользуемся мощностями Информационно-вычислительного центра Новосибирского государственного университета. Мы благодарны сотрудникам этого центра и администрации НГУ за такую возможность. Условия, создаваемые в этом центре, сравнимы с аналогичными на европейских суперкомпьютерах.

- Чего вы ожидаете от своих исследований? Где могут найти применение результаты?

- Прежде всего, полученные результаты будут представлять интерес, конечно, с фундаментальной точки зрения. Однако я не исключаю, что через какое-то время ими могут заинтересоваться и практики, и даже технологи. Например, сейчас много говорят об использовании щелочных карбонатов в портативных элементах питания как об альтернативе литиевых батареек. Обнаружено каталитическое влияние щелочных карбонатов на кристаллизацию алмаза. Сложные карбонаты, с несколькими атомами щелочных металлов в структуре, имеют необычную симметрию. Такая симметрия в расположении атомов указывает на потенциальную возможность их применения в нелинейной (лазерной) оптике.

- Что уже сделано в этой области?

- Сделано не так много. Проведены детальные структурные исследования при обычных условиях, неплохо изучен интервал высоких температур (без давления) для всех основных щелочных карбонатов. А вот область высоких давлений - это практически terra nova. По карбонатам калия и натрия структурные эксперименты в области высоких давлений еще не проводились. Есть одна расчетная статья в Zeitschrift Fur Anorganische Und Allgemeine Chemie, однако наши предварительные эксперименты говорят, что результаты, представленные в ней, не соответствуют действительности. Разобраться в причинах этого несоответствия и провести новые расчеты - одна из задач нашего проекта.