Александр Гуда: мы смотрим вглубь химической реакции

Публикации проекта группируются в «триады» материалов: «дуплет» интервью с классиком ЮФУ и молодым ученым из этой же научной школы и исторический текст об одном из тех выдающихся исследователей, которых нет уже с нами, но которые заложили основу современной науки юга России.

Наш сегодняшний собеседник – представитель молодой плеяды исследователей Юга России, доктор физико-математических наук, заместитель директора Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ Александр Гуда (напомним, что с руководителем МИИ ИМ ЮФУ Александром Солдатовым мы поговорили вчера).

А. Паевский: Начнем с вопроса, который достаточно стандартный, но тем не менее – о том, чем вы как ученый занимаетесь конкретно. Как формулируется ваша научная тематика сейчас?

А. Гуда: Я физик, и моя область специализации связана с материаловедением, а точнее, с исследованием материалов в ходе их синтеза и в ходе их работы. Есть такой термин «операндо-диагностика» или in situ-диагностика. Это когда протекает химическая реакция и нужно «заглянуть внутрь», увидеть, что там происходит на молекулярном уровне. Мы при помощи спектральных методов, начиная с оптических методов и заканчивая рентгеновскими, наблюдаем за разными частями этой системы.

За органической частью реакции можно следить при помощи рамановской спектроскопии, а, например, за атомной структурой катализаторов, если это активный центр металла, мы смотрим с помощью рентгеновской спектроскопии. Есть и другие методы. Есть и особенности: оптическая и инфракрасная спектроскопия — это лабораторные приборы, а рентгеновская спектроскопия — это эксперименты, которые проводятся на больших установках, на синхротронах. У нас в России сейчас работающий синхротрон находится в Курчатовском институте. Раньше наша страна участвовала в нескольких международных коллаборациях по таким синхротронным центрам, а сейчас строится новая установка, в Новосибирске.

А. Паевский: СКИФ?

А. Гуда: Да, речь о Сибирском кольцевом источнике фотонов.

А. Паевский: Отлично. Итак, несмотря на то, что вы физик, ваша тематика – это все-таки скорее химия и науки о материалах. То есть когда вы пойдете в академики, то будете идти по нашему отделению РАН, по тому, с которым я взаимодействую, отделению химии и наук о материалах (смеется). Но сейчас мы не об этом.

Когда я учился — я и сам химик-органик по происхождению — и когда я работал в лаборатории, моя химия была другой. Когда сейчас я пишу об органической химии, я вижу, что органика 2020-х от органики, которую я учил в 1990-х годах, уже сильно отличается.

Ваша область — это и физика, и химия, еще и наномасштаб местами бывает, проявляются квантовые эффекты. Насколько это сильно отличается от того, что вы учили в школе и университете, хотя вы учились чуть попозже меня?

А. Гуда: Конечно, моя наука уже сильно отличается в плане понимания на механистическом уровне. Некоторые вещи, которые раньше существовали только в качестве гипотезы, сейчас известны уже как подтвержденные экспериментально.

Мы видим единичные, элементарные акты химических реакций и молекулярные превращения. И эта информация получается как из эксперимента, так и из компьютерного моделирования. Мы реально научились видеть и макро-, и квантовый мир на малых масштабах времени. И фактически там, в квантовом мире, — другие законы, там и другие термодинамические правила, чем в системах с большим числом частиц. Наверное, в этом основное отличие: понимание работы с одиночными молекулами на таком, на малом масштабе.

А. Паевский: Не могу не задать модный вопрос: в том, чем вы занимаетесь сейчас, в вашей химфизике или физхимии (очень «люблю» это деление) уже как-то применяется искусственный интеллект, или в эту область он еще не пришел?

А. Гуда: Да, безусловно, применяется и очень активно. И у нас есть серия работ в этой области, как раз могу привести интересный пример.

Есть такой катализатор Филиппса, который используют для получения полиэтилена высокой плотности. Сама система известна чуть ли не с 50-х годов прошлого века, 1950-й год. Ей все активно пользуются в промышленности, но до сих пор выходят научные статьи в крупных ведущих журналах, где идут дебаты о том, как работает этот катализатор. И у нас есть серия совместных работ с коллегами из Швейцарии, где мы исследуем активные центры этих катализаторов с помощью спектроскопии рентгеновского поглощения. В науке идут дебаты о степени окисления хрома, у него есть стадия активации, стадия индукции, он восстанавливается, потом окисляется. Потом еще идут процессы, когда сам полимер наращивает цепь.

Мы анализировали эту систему с помощью спектроскопии рентгеновского поглощения и методов машинного обучения, потому что у нас был очень большой объем данных и анализ спектров. Математически это называется «обратная некорректно поставленная задача». В работе с такими задачами методы машинного обучения активно используются. Это классическое машинное обучение, методы начала и середины 2010-х годов. А сейчас очень активно развивается направление применения уже собственно искусственного интеллекта в химии.

Последние пару лет мы это все прочувствовали на себе: например, большие языковые модели – очень хорошие помощники в анализе литературы. Помимо этого, у нас в группе развивается создание агентов на основе языковых моделей. Такой агент может сам принимать решение: мало того, что нейросеть отвечает на вопросы, она может создавать некоторый код, кусочек программного обеспечения, сама его исполнять, получать ответ и давать рекомендации. По анализу данных и проведению эксперимента мы сейчас двигаемся в направлении такого агентного подхода.

А. Паевский: Еще один традиционный вопрос в интервью с исследователями из ЮФУ. Я вхожу в научный комитет премии «Вызов», и мы уже определились с лауреатами текущего года. Но вы их узнаете в декабре. Еще я постоянно пишу о науке и понимаю, что в нашей с вами области для того, чтобы достичь успеха, нужно оторваться от каких-то традиционных представлений о веществе, о каких-то механизмах, такой вот отрыв от классических представлений, с одной стороны. С другой стороны, как принято говорить, чем дальше эксперимент от теории и от классики, тем ближе к Нобелевской премии. С третьей стороны, ни один ученый не появляется в вакууме. Поэтому вот какой «философский» вопрос для вас.

В нашей, да и в мировой науке существует такое явление, как «научная школа». Вы из нее тоже выросли, вероятно, в ее рамках и действуете. Так вот, научная школа — это плюс или минус? Расскажите, пожалуйста, о своей научной школе, о традициях ЮФУ, об учителях, если можно так сказать.

А. Гуда: Я застал кусочек, я бы так назвал, советской интеллигенции в преподавателях. И очень этому рад. Я поступил на физический факультет в 2004 году, и у нас несколько преподавателей были представителями действительно советской школы. И мало того, что советская школа, еще и советская интеллигенция. Походы в театр, всякая внеучебная деятельность, это мне очень нравилось, и я прям очень проникся.

Я работал студентом на кафедре, она раньше называлась «Физика твердого тела», потом «Физика рентгеновской спектроскопии». Основатель — Михаил Арнольдович Блохин, который через одно рукопожатие находится от Уильяма Конрада Рентгена. Это большая у нас история. Он выходец из Москвы, переехал в Ростов, ученик Иоффе (который ученик Рентгена). А мой непосредственный научный руководитель, профессор Александр Солдатов, — ученик Блохина, у нас такая цепочка оттуда тянется.

А. Паевский: То есть вы научный правнук Иоффе и праправнук Рентгена?

А. Гуда: Можно и так сказать. Я считаю, для меня было очень важным, находиться в этой научной школе, в таком коллективе. Конечно же, перенимание опыта в коллективе происходило быстрее. Ну и вот, вообще, свое образование, оно, наверное, такими скачками, происходило. Стажировка в каждой новой группе приводило к какому-то изменению. Я учился и начинал свою деятельность научную в группе профессора Солдатова, мы и сейчас вместе работаем.

В аспирантуре я провел часть времени в Гамбурге, в группе профессора Вильфреда Вурда. Там, наверное, очень сильно иное мировоззрение на всю бюрократию и организацию научного труда, и мое мировоззрение тоже очень сильно изменилось, в голове сложилось, как должна быть устроена наука.

Далее у нас был мегагрант, и к нам в группу в Ростов приезжал профессор Карло Ламберти из Турина. Это был очень неунывающий человек. К сожалению, он трагически ушел из нашей жизни, но тем не менее у меня опыт работы с ним, 5 лет у нас шел проект, и более позитивного человека я не встречал в своей жизни. Он переехал из Италии в Россию, жил в общежитии университета, оно хоть и для преподавателей, но прям общежитие-общежитие. Человек был счастлив самой жизнью, возможностью работы и, помимо всего этого, он был очень высококвалифицированным ученым. Такие контакты с людьми и с научной школой я считаю очень важными для формирования личности, для формирования компетенции, общения. Все-таки это сейчас сложно заменить такими-то удаленными форматами общения.

А. Паевский: Кстати, к слову говоря о рукопожатиях, в моем анамнезе через одно рукопожатие есть основоположник рентгеноструктурного анализа Поль Брэгг-младший, я имею честь быть знакомым с Джеймсом Уоттсоном, который у него начинал свою работу.

Опять же, в рамках цикла интервью нельзя не задать два вопроса. Один, тоже достаточно стандартный, но он важен, потому что по-разному все отвечают на него, и это тоже интересно. Насколько лично вам, в данном случае пока еще молодому ученому, комфортно заниматься наукой в университете в ЮФУ? И помогает ли в этом сейчас участие ЮФУ в «Приоритете-2030»?

А. Гуда: Да, участие в «Приоритете» очень сильно помогает. У нас значительное финансирование идет из этой программ, которое позволяет и покупать оборудование, и подталкивают к взаимодействию с промышленностью. Эта программа полезна как с материальной точки зрения, так и в качестве постановки целей, расстановки ориентиров. У нас руководство университета хочет внедрять изменения и всех нас подталкивает меняться, поэтому здесь я вижу только позитивные стороны.

Комфортна ли работа в университете? Ну, мы все иногда сталкиваемся с необходимостью работы с многочисленной обязательной документацией — оформление сотрудников, командировок, договоров, которая отнимает довольно много времени. Эта бумажная работа, безусловно, необходима, но хотелось бы, чтобы она была более структурированной.

Мне кажется, у нас в стране есть возможности для оптимизации таких процессов, особенно с учетом современных цифровых инструментов. Например, взять ту же защиту диссертации. Нет, сама диссертация, наверное, полезный инструмент, для того чтобы голову правильно настроить, систематизировать знания и опыт. Однако объем сопутствующего документооборота достаточно велик. Когда видишь, сколько документов требуется для защиты, понимаешь, сколько времени уходит на их оформление — времени, которое можно было бы посвятить более глубокой работе над исследованием. Это лишь один пример. Аналогичная ситуация и в других сферах — финансовой отчетности, кадровом учете. Но хочу подчеркнуть, что это вопрос не к университету, а к общей системе организации науки. И я вижу, что в этом направлении есть движение.

А по работе в университете, по комфорту этой работы, скажу, что к нам достаточно часто заходят и лично ректор, и представители ректората, и к ним всегда можно обратиться со всеми вопросами. Это не значит, что они решатся мгновенно, но они будут решаться. Нас слышат, и мы работаем вместе.

А. Паевский: Второй вопрос немного провокационный, потому что вы представляете Южный федеральный университет. Я, помимо того, что научный журналист и беру у вас интервью, как раз представляю учреждение, которое в партнерстве с ЮФУ делает Школу исследователей-лидеров, академическое учреждение, черноголовский ФИЦ Проблем химической физики и медицинской химии РАН.

И я постоянно вижу дебаты – в СМИ, в околонаучных телеграм-каналах, о том, какая наука лучше, университетская или академическая? Вот как бы вы на этот вопрос ответили, где свои плюсы, где свои минусы, за какой наукой будущее? Понятно, что я не прошу вас сказать, где лучше, но можете ли вы прокомментировать эту дискуссию, эти две системы работы науки – университетскую науку и академическую, во-первых, а, во-вторых, что вы можете сказать о коллаборациях с различными другими организациями сейчас в вашей научной группе?

А. Гуда: Я бы сказал, что сейчас в той области, где я работаю, в нашем институте, несмотря на то что мы работаем в университете, грани академической науки и университетской очень условны. У нас много академических партнеров. И я практически не вижу разницы. Мы приезжаем к академическим партнерам, но часть из коллег тоже ведёт преподавательскую деятельность, на какой-то доле ставки ведут занятия в университетах, а основная часть у них научная. У нас преподавательская нагрузка сейчас не очень высокая, связана только с магистратурой. И основное, что мы делаем, это занимаемся наукой.

Я считаю, что в Академии чуть больше объём госзадания выделяется и некоторые позиции кадровые более долгосрочные. Вот это — единственное отличие, которое осталось. А так, я даже не вижу большой разницы между академической и университетской наукой в нашей области сейчас.

А. Паевский: Еще один вопрос, который мне кажется очень важным для любого ученого, на самом деле. Он о горизонтах, за которые имеет смысл заглянуть. По-моему, единственная область, где такой вопрос кодифицирован, — это математика. Там есть обозначенные «задачи тысячелетия», недоказанные теоремы, задачи, которые нужно доказать, но пока никто не может. Только Перельман доказал теорему одну из них, а все остальные пока что вроде бы нет, насколько я помню.

В вашей области есть ли неразрешенные или кажущиеся неразрешимыми проблемы или задачи в этой области? Что непонятно? Что пока что необъяснимо и не объяснено?

А. Гуда: Хорошо, что вы мне прислали вопросы заранее, потому что поначалу этот вопрос поставил меня в тупик, и я начал готовиться. Я думаю, что самое интересное и сложно решаемое в ближайшее время, это вот такая тема.

Все химические реакции — это и синтез, и получение материалов, и сама реакция катализа — это все-таки реакции, в которых одновременно участвуют миллиарды миллиардов молекул, и вот эти миллиарды миллиардов одновременно запускают реакции, останавливают, и они идут и работают по законам большого числа частиц.

Новое направление — это умение работать с одиночными молекулами, с одиночными объектами, получать информацию об одиночных элементарных актах этих реакций и процесса роста нанообъектов. И сейчас очень активно развиваются инструменты, начиная с коротких временных масштабов, это вот пикосекундные импульсы, которые запускают реакции, до методов микроскопии, которые опускаются до небольших областей пространства и отдельных молекул. Но все равно мы еще не подошли к полному пониманию и к возможности наблюдения за реакциями на уровне квантовой механики и на масштабах единичных молекул и отдельных объектов. Для меня это направление кажется наиболее интересным и неразрешенным. Переход от статистической химии и физики к отдельным атомам и молекулам.

А. Паевский: Кстати, в органике я видел элементарные реакции с отдельными молекулами, заснятые на сканирующий туннельный микроскоп.

А. Гуда: И на криоэлектронных микроскопах тоже что-то есть. Действительно, вот там кристаллизация, есть работы. Смотрят и кристаллизацию единичных молекул, как они прицепляются друг к другу, тут очень много нерешенных вопросов.

_А. Паевский: И последний вопрос. Он для меня интересен, потому что так получилось, что я, наверное, один из немногих исследователей истории Нобелевских премий в России. _

Какие, по вашему мнению, работы, уже состоявшиеся открытия в вашей области, еще не отмечены премией уровня Нобелевской. Потому что есть «Нобелевки» в вашей области в 60-е годы, по механизмам реакции, по сверхкоротким реакциям, потом что-то еще было, а вот что уже сделано, но еще не отмечено и можно ждать в ближайшие десятилетия?

А. Гуда: Я думаю, из области наук о материалах, можно назвать группу суперпопулярных материалов, за которые пока не дали премию. Это металорганические каркасы, МОФы, такое «лего» в химии. Сборка материалов «под ключ». Целая большая область (мы писали это интервью в сентября и - как угадал Александр с решением Нобелевского комитета!!! - прим. А.П.). Сами по себе они еще только находят применение, но сама идея, концепция такой самосборки разных объектов, уже оформлена. Второе – это высокоэнтропийные объекты, тоже очень популярная тема, высокоэнтропийные сплавы, а сейчас есть и высокоэнтропийные катализаторы, и перовскиты, и наночастицы, вот за это тоже надо бы давать.

А. Паевский: Если коротко, в чем суть высокоэнтропийных материалов?

А. Гуда: Смысл такой: когда вы комбинируете несколько элементов в одном материале, то там стабилизация полной энергии достигается не только за счет самой энергии, там взаимодействия, связывания, а еще за счет энтропийного эффекта, если вы помните, в формуле энергии Гиббса эта буква S, и там энтропия за счет перестановок становится доминирующей. И вы можете создавать сплавы, которые неустойчивы в бинарных системах или в тройных, с четырьмя или пятью компонентами вдруг раз — и становятся устойчивыми. Такие материалы сейчас используют, например, на атомных электростанциях. Они проявляют сверхвысокую устойчивость, такие сплавы из большого количества элементов. Это целое направление, отдельная область науки о материалах, высокоэнтропийные системы. Вот за них стоит дать Нобелевскую премию.

А. Паевский: Понятно. Супер! Спасибо большое за время.