Мы привыкли к тому, что дефекты — это что-то плохое, но на самом деле ими просто нужно уметь правильно пользоваться. Поведение материалов с различными повреждениями изучают в лаборатории механики неупорядоченных сред Института гидродинамики имени М. А. Лаврентьева СО РАН, которая была создана по мегагранту в 2017 году.
Конкурс мегагрантов, инициированный Правительством РФ в 2010 году, направлен на финансовое обеспечение и стимулирование развития науки. Обязательное условие проекта — возглавить его должен влиятельный зарубежный ученый. Целями мегагрантов считается создание лабораторий, способных конкурировать с ведущими лабораториями мира, и трансфер в экономику перспективных разработок.
— Дефекты, пусть даже небольшие, есть во всех видах материалов: это становится причиной их сложного механического поведения, — рассказывает руководитель проекта, сотрудник лаборатории физики Высшей Нормальной школы Лиона (Франция) Стефан Сантуччи. — Идея нашей работы в том, что если мы очень хорошо знаем структуру объекта, то можем рассматривать его в более крупных масштабах. Для этого нужно подробно охарактеризовать материалы, узнать все об их дефектах и научиться с ними взаимодействовать.
Возьмем, к примеру, кусок скалы. При определенной нагрузке его часть в какой-то момент отломится, а получившийся скол будет иметь шероховатую поверхность — это связано с микротрещинами, которые изначально были в породе. Как именно будет распространяться разлом — большой вопрос для ученых.
— Линии, по которым идет фронт разрушения, не бывают прямыми, — объясняет заместитель директора ИГиЛ СО РАН по научной работе доктор физико-математических наук Евгений Валерьевич Ерманюк. — Динамика этого процесса очень сложна: трещина продвигается рывками, а их статистика похожа на турбулентность. Каждый маленький рывок — это скачок, функционирующий, как маленькая лавина, причем скорость продвижения таких микролавин на небольших расстояниях вдоль фронта трещины отличается в разы. Но самое интересное, что данные, которые мы получаем, экспериментируя с небольшими моделями, могут быть применимы и к объектам колоссальных размеров, таких как литосферные плиты. Например, наблюдаемая в экспериментах Стефана Сантуччи статистика очень напоминает статистику землетрясений.
По словам Стефана Сантуччи, у лаборатории есть связи и с коллегами-биологами: дело в том, что даже раны в живых организмах заживают схожим образом, теми же условными «рывками» — то есть используемые методы позволяют работать с совершенно разными объектами. Это приводит к тому, что фундаментальное исследование, направленное на экспериментальное и теоретическое изучение сложных сред с неупорядоченной структурой, может стать заделом для самых разнообразных технологических решений.
Всего в проекте задействованы тридцать человек, работающих над разными задачами. Одна из групп исследует течение пен: сегодня не существует моделей, которые полностью описывали бы их сложную и необычную реологию, а ведь это важно, например, для пожаротушения. Другой коллектив изучает гемодинамику — движение крови в сосудах головного мозга — и сотрудничает со специалистами Национального медицинского исследовательского центра им. академика Е.Н. Мешалкина, иногда даже принимая участие в операциях.
Третье важное направление деятельности созданной по мегагранту лаборатории — разработка математических моделей, описывающих процессы при гидроразрыве пласта, с помощью чего в нефтегазовой промышленности увеличивают интенсивность добычи углеводородов. Суть метода заключается в том, что в скважину закачивается специальный гель при высоком давлении (это вызывает появление трещины в нефтеносном пласте), и затем туда на определенном этапе примешивается проппант (песок). Когда давление сбрасывается, стенки трещины смыкаются на обладающей высокой проницаемостью прослойке проппанта, и образуется канал для притока нефти. Цель ученых состоит в создании программного обеспечения, которое будет на основе данных о геологии скважины и реологии геля рассчитывать все необходимые параметры гидроразрыва и сделает процесс наиболее эффективным. Еще несколько лет назад эту работу в России проводили зарубежные сервисные компании, но санкции сильно затруднили такое сотрудничество — именно поэтому возникла необходимость в создании отечественных технологий. Благодаря востребованности тематики и научным наработкам директор ИГиЛ СО РАН доктор физико-математических наук Сергей Валерьевич Головин смог привлечь дополнительное финансирование со стороны государства и нефтяных компаний.
Несмотря на то, что Стефан Сантуччи — самый молодой руководитель лаборатории, созданной по мегагранту (на момент начала проекта ему было 39 лет), у ученого уже есть опыт работы с прикладными задачами. Так, несколько лет назад он сотрудничал с косметической фирмой L’Oréal.
— К моему американскому коллеге пришли с вопросом «Можете ли вы создать гель, который на 50 % будет состоять из газа и при этом оставаться стабильным годами?». У него не было на тот момент никаких четких идей, но он ответил «Да, конечно!», — вспоминает Сантуччи. — В итоге мы придумали процесс «капсулирования пузырьков»: то есть некую «механическую раковину» вокруг пузырей, которая их стабилизирует и препятствует росту больших пузырьков за счет более мелких благодаря разнице внутренних давлений. Это интересный продукт с точки зрения физики и химии, и он может быть использован не только в косметической промышленности, но и во многих других областях!
Стефан — специалист в области динамики деформации, течения и разрушения неупорядоченных сред, имеющих внутренние дефекты, поэтому тематика лаборатории совпадает со сферой его научных интересов. По словам ученого, основное преимущество мегагранта в том, что он освобождает от необходимости постоянно заниматься поисками финансирования и дает возможность сосредоточиться на самом исследовании.
— Я не могу сказать, что моя работа в России чем-то отличается от обычной, ведь я занимаюсь тем же, чем и всегда: провожу эксперименты, ищу ответы, — рассказывает Стефан Сантуччи. — Конечно, у нас есть некоторые трудности: например, я не говорю по-русски. Зато здесь многие знают английский, поэтому мы легко понимаем друг друга. Нам также пришлось столкнуться с бюрократическими проблемами, но в остальном все в порядке. Для меня это скорее захватывающе — некоторый вызов, приключение. Дело в том, что большую часть работы ученого составляют поездки на конференции, дискуссии с людьми со всего мира: искать и сравнивать новые идеи, подходы — часть нашей работы. Да, мы часто спорим, не соглашаемся, но это путь к открытиям.
Наталья Бобренок
Фото предоставлены ИГиЛ СО РАН
