Сегодня - 20.08.2017

Зомбиапокалипсис среди молекул и математическая амёба

05 сентября 2014

В Красноярске День знаний решили отметить проведением научного боя между специалистами в разных областях: математиками, физиками, химиками, биологами — всего было 6 бойцов, каждый из которых за 10 минут своего выступления пытался произвести впечатление на публику. Кому громче похлопали, тот и победил. Для научной точности на мероприятие пригласили сотрудника Сибирского федерального университета со специальным прибором, замеряющим шум. Мероприятие состоялось в Красноярском музейном центре, где с недавних пор среди современного искусства, галерей и выставок прописался и музей интерактивной науки «Ньютон-парк».

Ведущий мероприятия Егор Задереев с помощницейПервым слово взял старший научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН кандидат физико-математических наук Сергей Комогорцев. Он рассказывал о магнитах с древности и до наших дней и даже смог воспроизвести древний компас прямо на сцене, с помощью воды, пенопластовой рыбки и магнита. Если сравнить показания такого кустарного прибора с современным, то можно увидеть: они совпадают. Около 200 лет назад физики догадались связать магнетизм с электричеством, что позволило создать два важнейших прибора современной техники: электродвигатель и электротягу. Первый переводит электрическую энергию в движение, а второй — наоборот. В обеих конструкциях используется магнит. Сегодня, по словам Сергея, они активно применяются в электронике, взять, например, магнитную запись.

— В будущем планируется создание поезда на такой подушке. Магнитная левитация, на основе которой он и будет двигаться, основывается на том, что эти элементы, обращенные друг к другу одинаковыми полюсами, отталкиваются, в результате —поезд не имеет колес, парит над полотном и может разгоняться до очень больних скоростей. В России таких составов пока нет, но они действуют в Японии, Китае.  И, конечно, магниты применяются для удержания плазмы в технологии термоядерного синтеза, с которой человечество связывает свои надежды на преодоление энергетического кризиса, — говорит Сергей Комогорцев.

Прогресс магнитов сдерживается недостаточными свойствами материалов. Долгое время их получали природным способом — находили и использовали. Затем люди постепенно научились сами создавать нужные вещества.

— Мы можем делать магниты в разных формах, в том числе в виде тонких пленок, пригодных для электроники, где все функциональные элементы расположены в плоскости платы. Мы умеем получать такие пленки из газа и пара, из жидкости и плазмы. Но когда доходим до очень маленьких размеров возникает одна проблема — действующие элементы становятся высокоагрессивны, и для процесса производства нужны высоковакуумные установки.  В подобном приборе напыление (методом молекулярно-лучевой эпитаксии) происходит так медленно, что буквально можно положить слой толщиной 1 атом, а за ним другой — из другого вещества. В своем роде такой способ производства можно рассматривать как одномерный атомный принтер, с его помощью мы получаем такие материалы, которых в природе никогда не было. Не всегда понятно, какие у таких материалов будут свойства, и здесь как раз появляются исследователи, в задачу которых входит их изучение. Готовим образец, испытываем его и иногда не понимаем результата своих изысканий. Это доставляет нам большое удовлетворение, потому что мы можем придумывать новые теории и  снова проводить эксперимент. Но если получим материал с чемпионскими свойствами, как хотели, то можем его практически использовать для конкретных приложений, — рассказывает С. Комогорцев.Судья тестирует прибор для измерения аплодисментов

Например, сам Сергей работает с магнитной записью. Основная задача, которая ставится перед исследователями — выяснить как на диск можно записать больше информации, но при этом она ещё должна надежно храниться и никуда не исчезать.  Природа поставила на пути прогресса магнитной записи особый предел: чем она плотнее, тем мельче бит, но когда последний становится очень и очень маленьким, тепловые толчки приводят его в хаос, и информация не сохраняется. Здесь нужен какой-то устойчивый материал, сегодня ученые работают с соединением кобальт-платина. Его изготовили в Новосибирске, а красноярские ученые с помощью установки с сильными магнитными полями изучают его.  Эта информация поможет им создать материал для более продвинутого винчестера, и в результате объем записи может подняться от десятков терабайт на квадратный дюйм до сотни.

— В конечном итоге: у науки два лица— практика и красота. Любая идея может стать зерном новой технологии, ведущей к экономическому и военному приоритету, именно по этой причине развитые государства платят зарплату исследователям. А красота — это то, что заставляет энтузиастов заниматься наукой совершенно бесплатно, — закончил С. Комогорцев свое выступление.

Следующим выступил научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН кандидат химических наук Иван Петерсон:

— Существует постоянный спор между физиками, химиками и биологами, кто круче. Но всех их примиряет медицина, — отметил Иван. — То, чем я занимаюсь, — метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Атомные ядра обладают магнитными свойствами: если мы переместим их в сильнейшее магнитное поле, то они получают положительный или отрицательный заряд. Ещё у этих ядер есть спин, и если по нему ударить с частотой, соответствующей конкретному ядру, то происходит магнитный отклик, который фиксируется. В результате мы можем получить уникальную картинку структуры какого-то соединения. Мы понимаем, что это за вещество, так как у каждого элемента, исходя из его свойств, есть своя радиочастота, — рассказал Иван. — Однако не все ядра обладают подобными свойствами, поэтому не все элементы можно фиксировать. И. Петерсон сравнил такой метод с просмотром телевизора. Например, если мы хотим узнать про какое-то событие, то сначала мы смотрим первый канал. Узнаем часть информации, потом посмотрим телеканал «Дождь» — получим другую часть данных. Также происходит и при этом методе.

По словам Ивана, на сегодняшний день у ЯМР есть множество ответвлений, например, широко известная магнитно-резонансная томография, с помощью которой можно посмотреть, что происходит у человека в мозгу и не только. Кстати, Иван считает, что в будущем развитие этого метода позволит людям читать мысли друг друга и создать безпогрешный детектор лжи.

Третьим бойцом стала старший научный сотрудник Института вычислительного моделирования СО РАН кандидат физико-математических наук Екатерина Кирик. Она рассказала о том, каким образом ученые моделируют движение большой массы людей и зачем это им понадобилось

— Вопрос о том, как воссоздать процесс движения людей, появился ещё в 20-30-х годах прошлого века. Впервые его поставили проектировщики, когда стали задумываться о безопасности в здания и сооружениях, которые они создают. При этом нужно знать время, требующееся для эвакуации, и допустимый период, за который можно покинуть помещение. Если первая величина меньше, чем вторая, это значит, что здание безопасно. Сегодня мы как раз поговорим о том, как выяснить длительность эвакуации, — предложила Екатерина.

Понятно: на этапе проектирования, когда конструкция ещё не построена, мы не можем провести эксперимент: просто побегать и понять, за сколько человек успеет покинуть здание. Соответственно, понадобилась модель. Самый простой способ, по словам Екатерины, поделить путь на скорость — и мы узнаем время. Но тут встает другой вопрос: как выяснить скорость? Откуда взять этот показатель? Чтобы ответить на этот вопрос, было необходимо не одно исследование в России (которую можно считать основоположницей направления) и в мире. Ученые собрали большое количество данных: например, была получена формула зависимости скорости человека о того, насколько плотен поток движения.Ведущие представляют Ивана Петерсона

— Первая модель включала в себя 4 формулы. И примитивно говоря, описывала движение роты солдат, перемещающихся строем. У нее очень ограниченное применение, — говорит Екатерина. — В имитационно-стохастической модели учтено больше нюансов, но она рассматривает людей как равномерно распределенную по площади помещения массу, однако, мы все индивидуумы. В начале XXI века появилось следующее направление — моделирование движения через индивидуально поточные представления человека, то есть в такой модели каждый двигается по своей траектории, обусловленной заданными параметрами, — объясняет Е. Кирик.   

Для того, чтобы построить матмодель изменения положения человека, ученые обращаются к ньютоновской механике, но чтобы не решать уравнения по каждому индивиду отдельно, этот процесс можно упростить, представив  вектор скорости произведением её скалярной величины и направления. Оказалось: это выгодно с точки зрения производительности расчетов и правдоподобности того явления, которое ученые моделируют. В итоге исследователи получили такую формулу, рассчитывающую положение человека в каждом шаге, исходя из информации о его предыдущем передвижении.

— Когда мы научились это делать, то получили инструмент для определения времени эвакуации людей из здания. Теперь мы можем создавать различные сценарии и проектировать различные исходы. А если все это соединить с моделью распространения огня или какого-то другого стихийного бедствия, то получим возможность решать вопросы не только пожарной безопасности, но и чрезвычайных ситуаций в целом.

Четвертый участник состязания— научный сотрудник Института биофизики СО РАН кандидат биологических наук Сергей Трифонов — рассказал о том, как отходы жизнедеятельности человека превратить в минеральные удобрения для растений.

Вообще Сергей — специалист в области создания систем жизнеобеспечения. Они нужны, чтобы будущие космонавты, отправившиеся колонизировать Марс или Луну, могли получить необходимые для жизни продукты на месте, а не везти их с собой, ведь перевозка грузов — очень затратный процесс, например, чтобы доставить 1 кг чего-нибудь на околоземную орбиту нужно от 2500 – 15 000 долларов, на Луну —700 000 долларов, на Марс — около 1 000 000 долларов. А потребности человека в воздухе, пище и воде составляют около 10 кг в сутки, поэтому можно спокойно посчитать, во сколько обойдется проживание одного человека вне Земли. В рамках научного боя Сергей рассказал лишь об одном элементе такой системы  — переработке отходов жизнедеятельности человека.

— У нас в институте создали два способа для этого: биологический (получаем в результате почвоподобный субстрат или биогумус — вещество, похожее на компост) и физико-химический (мокрого сжигания отходов).  Мы берем отходы, заливаем их перекисью водорода, перемешиваем, подаем переменный ток — все это взаимодействует и  получается минеральный раствор для выращивания растений. Окисление органики происходит по радикально-основнмоу методу, а переменный ток этот механизм ускоряет. Перекись в свою очередь активирует органическую молекулу, последняя становится очень «деятельной», агрессивной и нападает на подобных себе, отрывая от них части, и они тоже становятся такими. Я бы назвал это — «молекулярный зомбиапокалипсис», — говорит Сергей.  

Молекула перекиси состоит из двух атомов водорода и двух атомов кислорода. Если мы возьмем  раствор этих диполей, поместим туда электроды и подадим переменное напряжение, они начнут болтаться все сильнее и сильнее, пока не развалится на куски. Для задач ученым нужны   гидроксил-радикал ОН и атомарный кислород. Это и есть «зомби», которые запускают весь процесс. Одной частицы перекиси может хватать на то, чтобы окислить большое количество органических собратьев вокруг.

Понятно, что таким методом переработки занимаются не только в России, но у ИБФ СО РАН есть несколько преимуществ: во-первых, простота реализации реактора (отходы можно просто сложить, например, в ванную, залить перекисью и запихать два оголоенных провода), во-вторых, таким способом эффективно работать с большим объемов отходов. Кроме того, в этом случае окисление органики идет мягко, и минеральные элементы остаются в растворе в доступной для растений форме.

Пятым выступающим стал заведующий лабораторией комплексного анализа и дифференциальных уравнений Сибирского федерального университета кандидат физико-математических наук Алексей Щуплев, рассказавший о языке математики и его визуализации.

— Физики, химики и биологи говорят на нём, а мы его пишем, — начал свое выступление Алексей. —  Математический аппарат был разработан в 20-30 гг XX века совершенно независимо от всех других открытий. Ученые научились, зная некую опосредованную информацию функций, восстанавливать их сами. И уже в 60-х гг оказалось, что все это можно применять на практике. Математики поняли, что любая проблема рано или поздно сводится к тому, что нужно решать уравнения.

Из школьного курса мы помним простые уравнения, в результате которых остается одно-два решения. Но когда они становятся сложнее, количество решений тоже возрастает, и нужно формировать целый список результатов, чтобы не хранить в голове, их решили визуализировать, то есть изображать на графике точку, соответствующую каждому решению. Но тут возникла проблема с комплексными числами — как нарисовать их? Тогда математики придумали наносить не точки-решения уравнений, а модули координат этой точки.  Чтобы понять, причем здесь амебы, нам нужно сделать еще один шаг: изображать не сами модули этих точек, а логарифмы модулей. Сделав нужные модификации, из прямой линии мы получили картинку, которая называется амёбой (из-за внешнего сходства с соответствующим биологическим объектом).
 
— Амёба — это способ изображать то, что мы видеть уже не можем. Само множество нулей лежит где-то в четырехмерном пространстве, которое мы никогда не поймём, но пользуясь такими способами, мы получаем хоть какую-то картинку.  Такие объекты — язык современной физики элементарных частиц и термодинамики, например.

Завершал сражение научный сотрудник Красноярского научного центра СО РАН кандидат технических наук Станислав Хартов.

Участники боя— Шел я как-то по бережку одной алтайской реки и обратил внимание, что под моими ногами не только ил, но некоторая структурированная поверхность: канавки с ровными, вертикальными гранями, — начал свой рассказ Станислав. — Вот если бы кто-нибудь задался целью специально получить такую структуру с помощью, например, экскаватора, то пришлось бы сжечь много бензина и долго работать, а здесь на больших площадях такие структуры образовались практически бесплатно. В этот момент я до конца осознал, в чем особенность нанотехнологий: не в размере, как это принято считать, а в том, что в их основу положен так называемый метод  «снизу вверх», то есть самоорганизация. Обычно человек пользуется обратным методом: обтесал камень — получился топор, а природа любит действовать по-другому. И мощность ее подхода колоссально выше по сравнению с тем, что делал человек до сих пор. Вернемся к реке: в то время мы с моей командой занимались проблемой — как нам сделать оптически прозрачное проводящее покрытие, ведь обычные материалы либо прозрачные, либо проводящие. Мы знали, что американская фирма делает такое с помощью мелкой сети дорожек, нанесенных методом микролитографии, но в случае больших объемов получается очень дорого.  Мы решили попробовать сделать это методом «канавок у реки», и менее, чем через месяц получили образцы оптически прозрачного проводящего покрытия в виде металлической сетки. Сегодня наша компания —«Фаннано» — имеет одни из лучших по техническим параметрам образцы, и при этом они самые дешевые. Недавно мы объединились с коллегами из Новосибирска: у них есть электрохромный электролит, который может менять свою прозрачность в зависимости от напряжения. В начале следующего года мы планируем вывести на рынок США первый продукт —электрохромные стекла для автомобилей.

По количеству «аплодисментных» очков этот доклад, а также выступление Сергея Трифонова, значительно оторвались от конкурентов. Станислав Хартов занял почетное второе место, а лавры победителя достались Сергею.

Юлия Позднякова

За помощь в подготовке материала редакция благодарит Егора Задереева

Фотографии предоставлены организаторами

Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (3 votes)
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus