История Новосибирского государственного университета всегда строилась на принципе тесного контакта с академическими институтами Сибирского отделения РАН. Однако со временем возникают новые направления, требующие новых подходов и кадрового притока, — в результате создаются профильные кафедры по новым темам: именно так появилась кафедра химического материаловедения НГУ.
Об истории ее создания рассказал один из основателей кафедры — старший научный сотрудник Института химии твердого тела и механохимии СО РАН кандидат химических наук Денис Александрович Рычков.
— Как Вы пришли в науку и почему выбрали именно химическое материаловедение?
— Честно говоря, я никогда не рвался в науку, в детстве у меня не было мечты стать ученым.
Можно сказать, я оказался здесь во многом случайно. Новосибирский государственный университет, и особенно факультет естественных наук, дает такое образование, которое фактически прошивает тебя на научную деятельность. Это доступно далеко не всем. Так что среда во многом предопределила мой путь. Кроме того, я убежден, что нужно заниматься тем, что тебе нравится. Пока наука мне интересна, я в ней, хотя сейчас фокус сместился к управленческим задачам.
В студенчестве я примерно представлял, что такое химическое материаловедение, но не шел в него целенаправленно. Сначала занимался одной темой, в аспирантуре попробовал другую. Так постепенно и пророс в эту сферу. В конце концов, научные исследования — вещь непредсказуемая, и путь самого ученого в них часто выглядит так же.
Денис Рычков
— Вы упомянули, что среда НГУ сама прошивает на науку. Но в какой момент Вы почувствовали, что существующей системы образования недостаточно и созрела идея создать отдельную кафедру химического материаловедения?
— Сначала это была не кафедра, а магистерская программа. Как перед заместителем директора института в 2018—2021 годах, передо мной стояла главная задача — сделать так, чтобы люди, которые приходят в наш Институт химии твердого тела и механохимии, становились хорошими учеными. Мы выяснили, чего не хватает студентам. Оказалось, что большинству научных руководителей приходится учить студентов одним и тем же вещам. Это нерациональное использование уже сформировавшихся ученых.
Есть множество предметов, которых просто нет в традиционной программе, именно поэтому и родилась идея создать отдельную кафедру — улучшенный вариант, который необходим для конкретных целей. Можно сказать, что решалась и задача конкретного института, и задача создания образовательной программы по материаловедению за Уралом. Для меня самой большой ценностью является учебная программа и преподаватели.
— С какими трудностями Вы столкнулись при запуске кафедры?
— Трудностей было бессчетное количество. Если смотреть с точки зрения образовательной программы, нужно было четко определить, какие знания действительно необходимы будущим ученым и сотрудникам крупных компаний. Мы детально изучали опыт зарубежных университетов, где существуют целые факультеты материаловедения, смотрели на опыт Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. Проанализировав все программы, мы сформировали собственное видение, а затем начали искать преподавателей. Их еще нужно было убедить, что именно им стоит к нам прийти.
Другая проблема — организационная. Университет — это огромная система, в которой есть бюрократия. Мне нужно было делом доказать серьезность намерений и необходимость новой программы. Мы написали горы бумаг, одна только образовательная программа занимала, кажется, листов сто — сто пятьдесят, а еще были рабочие программы каждой дисциплины, аннотации курсов и другие документы.
Следующей проблемой стал поиск студентов, которые рискнули бы пойти в первый поток. Наш дебютный набор из пяти-семи человек успешно отучился, и сейчас выпускники работают в сфере науки и крупных компаниях в России и Европе. Соответственно, с каждым годом желающих становилось всё больше и больше.
— Как Вы работали с первыми студентами?
— Чаще всего люди чувствуют, когда в них готовы вкладываться. Я давно преподаю в университете, так что определенная репутация у меня была. Студенты знали, что ими точно будут заниматься. Они понимали, что не станут просто одними из тысячи одинаковых студентов.
Нет, всё было немного иначе. Мы действовали через знакомых, через студентов, с которыми я уже пересекался на прошлых курсах. Объяснили им задумку. Думаю, ребятам и так было понятно, что наша задача — научить их так, чтобы все посмотрели и сказали: «О, мы хотим, чтобы в нас вкладывались так же».
— Чем ваша кафедра принципиально отличается от других образовательных программ?
— Всем. Шутка! Конечно, не всем. Понятно, что любая магистерская программа или кафедра базируется на том, что студенты прошли на первых трех курсах. Но остаются пробелы.
Смотрите, какая история. У нас есть понятие индивидуального учебного плана, но часто это формальность. Попадая на кафедру, ты составляешь план только из тех предметов, которые есть именно здесь. Это часто приводит к дублированию. Например, термический анализ могут читать в нескольких местах одновременно. Мы решили, что повторяться не будем. Если студенту нужен какой-то метод или курс, он может взять его на другой кафедре. Это не проблема.
Нашей целью было собрать уникальную программу, которая не дублирует уже существующие сильные курсы ФЕНа. Я сам выпускник факультета и понимал, какие дисциплины у нас преподаются на высоком уровне. Мы их осознанно не включали в свой план, чтобы не тратить время на повторение одного и того же в разных аудиториях.
Вместо этого мы зашли в область, которая не была закрыта. Есть катализ, биохимия, аналитическая химия и так далее. Но материаловедения как обособленной единицы, по сути, не существовало. Соответственно, и курсов, необходимых именно для этой дисциплины, просто не было. Мы их создавали сами.
Во-вторых, мы сосредоточились на заполнении пробелов. Мы взяли те направления, которые либо совсем не были представлены, либо требовали иного, более прикладного подхода для материаловедов. Это позволило нам не конкурировать с исторически сложившимися курсами, а эффективно дополнить их, создав для студентов максимально насыщенную и логичную образовательную программу.
Если возвращаться к сложностям, то главной проблемой было найти преподавателей. Не всё удалось реализовать сразу, так как нет специалистов, способных прочитать определенные курсы. Мы зашли в область, которая в университете была буквально размазана по множеству кафедр, лабораторий и институтов. Зайдите в любую и спросите: «У вас есть материалы?». Вам ответят: «Ну, что-то было… Мы в основном занимаемся данными веществами и системами, однако можем и материал на их основе разработать».
Мы же заявили, что есть конкретное научное поле, и мы даем здесь полноценное образование. Внутри кафедры изначально закладывали три основных направления.
Первое — источники тока. Аккумуляторы, суперконденсаторы, топливные элементы. Человек получает базу, физику твердого тела, расчетные методы и начинает ими обрастать, уходя в углубленное изучение именно этой тематики. Моя идея была в том, чтобы не давать лишнего. Зачем специалисту по аккумуляторам слушать, как делаются покрытия для космоса? Ему это прямо сейчас не поможет в работе.
Второе направление мы в простонародье называем керамикой. Это защитные и конструкционные материалы, подложки для микроэлектроники и всё в этом духе.
И третье, что мы сделали — расчетные методы как полноценная область. Раньше ими комплексно нигде не занимались, поэтому мы собрали это направление сами. Квантовая химия, молекулярная динамика, позже добавили программирование на Python, сейчас необходимо обучать использованию ИИ.
На самом деле туда нужно добавить еще много всего, но это отдельная история. Главное, что наш подход позволяет человеку вырасти, освоить сложные методы и приложить их к созданию материалов. А в какой именно области, вопрос уже вторичный. За два-три года обучения студент получает знания, релевантные именно его задачам. Еще мы добавляем обвязку, такие курсы как наукометрия, чтобы начинающие ученые лучше ориентировались в научном мире. На исторически сложившихся кафедрах такое встретишь редко.
Денис Рычков
— Если объяснять прям просто, чем занимается химическое материаловедение сегодня и почему это важно?
— Я не знаю границ этой области. Химическое материаловедение — это колоссальная сфера. Мы всегда подчеркиваем слово «химическое», потому что материалами занимаются очень разные люди. Например, физики из условного Московского физико-технического института гораздо лучше нас разберутся в физических процессах, которые делают материал эффективнее.
Но мы смотрим на это как химики. В химии есть «триада Н. С. Курнакова»: состав — структура — свойства. Свойства любого материала напрямую зависят от химического состава и от того, как расположены атомы или молекулы. Наша задача заключается в том, чтобы понять, какие нужны молекулы, какие структуры они должны образовать и как их модифицировать. При этом мы не технологи, мы исследуем это с точки зрения науки.
Материалы ведь нужны абсолютно для всего. Можно начать с самого доброго — лекарств. На самом деле это тоже материал. Есть действующее вещество, но в какой оно форме, жидкое, твердое, и как оно собрано — это уже вопрос материаловедения.
Яркий пример — Ритонавир, препарат для терапии ВИЧ. Были случаи, когда препарат прямо на полке переходил из одной формы в другую и переставал растворяться. Всё, лекарство больше не работает. Это привело к отзывной кампании по всему миру примерно на 250 миллионов долларов. Вот вам пример органического материаловедения.
Или те же дисплеи. Все радовались, когда они стали гибкими, а ведь это тоже результат работы с молекулярными структурами. Когда-то жидкие кристаллы казались чем-то ненужным, а потом из них создали дисплеи, к которым мы все привыкли. Фантазировать в этой области можно бесконечно.
Возьмем космос. При огромных скоростях атмосфера буквально раскаляет обшивку ракет и кораблей. Ее нужно защищать. Если смотреть на вещи не только с точки зрения химии, но и с позиции жизненного цикла, то любой материал нужно создать дешево, эксплуатировать максимально долго, а потом еще и дешево утилизировать. В космонавтике сейчас эра многоразовых ступеней. Нам важно, чтобы покрытие было рассчитано не на один запуск, чтобы на третий-четвертый раз обшивка не отлетела и аппарат не сгорел. Это вопрос не только денег, но и жизней. Материаловедение — это бесконечный лес, который окружает нас повсюду.
— Какие направления химического материаловедения наиболее перспективны сейчас?
— Я не очень люблю слово «перспективность». Чтобы понимать перспективы, нужно знать будущее, а мы его не знаем. Нам лишь кажется, исходя из текущего момента, что одно будет значимее другого. Вспомните, как мир изменился за последние годы с приходом нейросетей. Кто мог подумать, что всё пойдет именно так и вычисления станут настолько востребованными?
У каждого из нас есть своя точка зрения, которая часто продиктована профессиональным искажением. Помимо организационной работы, я профессионально занимаюсь расчетами в химии и материаловедении. И, конечно, с этой позиции мне кажется, что расчеты — это и есть путь в светлое будущее.
Мы создали направление расчетных методов на кафедре в 2020 году. Уже тогда было понятно, что наука является дорогим удовольствием, а приборы в ней — отдельная сложная история. Вычисления в этом смысле стали способом оставаться на переднем крае науки без колоссальных затрат. Мы считаем не на домашних ноутбуках, а используем мощности суперкомпьютерного центра НГУ и других кластеров. Это позволяет не терять эффективность в современных условиях.
Алгоритмы захватывают мир, и наука не исключение. Банальный пример — нейросети для написания текстов. Сегодня ученые уже открыто признают, что используют их для подготовки статей на иностранном языке. Но самое интересное происходит чуть дальше, за горизонтом.
Например, сейчас на слуху квантовые компьютеры. Считается, что определенные операции, которые сегодня занимают годы, они смогут выполнять за секунды. Но до этого будущего еще далеко. А уже сейчас нейросети пытаются достичь точности квантово-химических расчетов по цене обычной молекулярной механики. То есть то, что раньше считалось час, нейросеть после обучения выдает за секунду.
Поэтому я бы выделил расчеты как главный тренд. А в остальном — это вопрос того, к чему у человека лежит душа. Если вам по-настоящему интересно чем-то заниматься, не так важно, кажется ли это востребованным прямо сейчас. Завтра всё может измениться, и на первый план выйдет что-то совсем другое.
Денис Рычков
— Почему для Вас важно, чтобы ваши студенты включались как можно скорее в научную работу?
— У меня был тренер по волейболу, который говорил: «Чтобы научиться играть в волейбол, надо играть в волейбол». Это звучит как шутка, но на деле в этом много смысла.
Когда ты читаешь обо всём только в книгах, кажется, что всё известно и понятно. Но когда сталкиваешься с процессом в реальности, понимаешь, что первый слой тебе ясен, а дальше начинается «лес чудес». Материаловедение по-настоящему начинается там, где ты приступаешь к работе сам.
Выпускник легко перечислит все методы: «Нам нужно такое-то свойство? Пойду измерю его вот так». Но мерил ли он так хоть что-то в своей жизни? Скорее всего, нет. Я и сам был ровно таким же. А когда приходишь на место, пробуешь, и у тебя не получается… Оказывается, существует множество нюансов и тонкостей.
Только когда ты осваиваешь эти связи на практике, всё то, чему учили в университете, начинает сшиваться. Мир перестает быть разрозненным набором методик, он становится взаимосвязанным. И тогда ты можешь решать задачи, которые на порядок сложнее тех, что описаны в книгах. Чем раньше студенты поймут эту многомерность, тем быстрее они станут серьезными химиками. Это и есть ключевой момент профессионального образования и взросления.
— Каким вы видите идеального студента вашей кафедры?
— Для того чтобы стать профессионалом, на мой взгляд, нужно не так уж много параметров. Я бы выделил три основных.
Первый — это уверенное знание базовых курсов. Под образованием я имею в виду не оценку в зачетке, а реальные знания и умения. Какая отметка стоит в ведомости, мне, честно говоря, всё равно, если человек действительно выучил предмет. Важно, чтобы всё, что строится сверху, опиралось не на жидкий фундамент, а на нормальную базу.
Второй момент — голод до новых знаний и задач. Студенту должно быть интересно. Важно, чтобы у него горели глаза, когда умные люди рассказывают что-то новое, чтобы хотелось делать самому, а не просто сидеть на работе из-под палки, плюя в потолок.
И третий пункт — не бояться новых вещей. Мои коллеги и аспиранты не дадут соврать, методы решения задач выходят за пределы компетенций даже научного руководителя. В реальной работе руководитель не может знать и уметь абсолютно всё. Например, он может не владеть программированием, а для задачи нужно написать код. И здесь важно, чтобы студент не пасовал: раз шеф не знает, то как я это сделаю? Нет, берешь и делаешь, осваиваешь новую программу, учишься на ходу.
— Каким Вы видите развитие кафедры и самой области материаловедения в ближайшие пять-десять лет?
— Горизонт в пять-десять лет — диапазон более-менее предсказуемый. Область материаловедения огромна, но я уверен, что решающее значение будут приобретать алгоритмы, их разработка, совершенствование и адаптация под конкретные задачи.
Часто бывает так, что технология уже существует, но для нее либо нет вычислительных ресурсов, либо нет запроса. Взять те же нейросети. Они известны с прошлого века, но выстрелили только сейчас. Даже Нобелевскую премию по химии за теорию функционала плотности дали, по сути, не столько за невероятное открытие, сколько за возможность пользоваться ей рутинно. Поэтому в ближайшее десятилетие нас ждет бум моделирования. Мы будем учиться предсказывать свойства материалов быстрее и проще.
Кроме того, станет важен трансфер методов. Это когда метод, успешно решающий задачи в одной области, переносится в другую сферу.
И третий, крайне важный момент — создание и верификация баз данных. Мы всё увереннее переводим расчеты в область нейросетей, но, чтобы их обучать, нужны качественные большие данные. А с ними в современном материаловедении есть сложности, как объективные, так и субъективные.
Объективная проблема — точность. Иногда мы сталкиваемся с парадоксом. Расчеты для определенных задач уже превышают точность эксперимента. Мы научились считать точнее, чем люди могут измерить на приборах за миллионы долларов! Но это скорее исключение. Чтобы натренировать нейросеть, нужны чистые данные, а если результаты в разных лабораториях сильно разнятся, то и ответ ИИ будет в лучшем случае случайным, а в худшем — заведомо неверным.
Субъективная же причина заключается в том, что наука не всегда открыта. У многих научных групп есть свои закрытые наборы данных, которыми они не спешат делиться, чтобы конкуренты их не обошли.
В конце концов, расчеты и эксперимент становятся неизбежно связанными. Наука будущего заключается в умении видеть связи там, где их не замечали раньше. Поэтому наша главная цель на кафедре остается неизменной: давать студентам инструменты, которые позволят им не потеряться в материаловедении.
Беседовали Анастасия Шамова, Катерина Муковозчик, студентки направления “Журналистика” Гуманитарного института НГУ
Фото Юлии Поздняковой
