Александр Солдатов: выше нашей точности измерения идти уже не интересно

Наш сегодняшний собеседник – один из самых цитируемых ученых России, доктор физико-математических наук, профессор Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ, научный руководитель направления ЮФУ «Науки о материалах и синхротронно-нейтронные исследования» Александр Владимирович Солдатов.

А. Паевский: Давайте начнем наш разговор с вашего научного направления. Для меня как химика оно весьма интересно — взаимодействие вещества с рентгеном, точнее, поглощение рентгена. Правда, вы занимаетесь структурой и свойствами твердых фаз, а я больше органик, но тем не менее. Можно ли для начала рассказать о вашей работе и вообще о том, что такое эта спектроскопия XANES (X-ray absorption near edge structure), или как правильно ее называть, как она правильно произносится?

А. Солдатов: в английском языке правильно произносить «ксэйнс». Хотя россияне часто произносят «ксанэс», что не совсем правильно. А некоторые старорежимные доценты вообще произносят как «ханэс», по-русски.

На самом деле, мы тоже не чужды органики и очень много занимаемся органической химией. Достаточно большой класс соединений, которые мы исследуем, называется MOF, вы знаете, что это такое, Metal Organic Framework или металлоорганические каркасы - на прошлой неделе за них присудили Нобелевскую премию по химии. Мы много с ними работаем, мы функционализируем их наночастицами или даже атомами металлов и так далее. Много занимаемся катализом, в последнее время у нас еще много работ по полимерам.

Но вернемся к XANES. Эта спектроскопия интересна тем, что позволяет решать многие задачи, которые важны для практиков, в том числе для химиков, тех, кто занимается материалами. Он позволяет определять атомную и электронную структуру веществ in situ, прямо в ходе процесса или при реальных технологических условиях, которые мы создаем в установках.

У нас есть уникальный лабораторный прибор для этой спектроскопии, единственный в Европе, сделанный по спецзаказу фирмой Rigaku. Эта известная фирма для нас сделала по спецзаказу спектрометр рентгеновского поглощения. И, повторюсь, очень важно, что мы можем изучать эти характеристики веществ прямо в ходе процесса, в ходе реакции. И, соответственно, мы можем определять полную 3D-структуру частицы, причем локально. Нам не нужен большой кристалл, как это требуют дифракционные методы. Там для того, чтобы все хорошо получилось, нужен достаточно большой кристалл. У нас — нет. Нам достаточно маленькой-маленькой наночастички или просто молекулы в растворе, даже молекулы в газовой фазе, и мы уже можем определить структуру.

Мы можем это делать в ходе процесса и с достаточно высоким временным разрешением. Особенно хорошо это получается, если у нас есть под рукой синхротронный источник рентгеновского излучения, не лабораторный, а синхротронный. Там интенсивность излучения достаточна для того, чтобы изучать даже очень быстро протекающие процессы.

Фишка нашей научной группы состоит в том, что мы научились анализировать эти спектры рентгеновского поглощения на лету, «on the fly», в режиме реального времени. И мы, соответственно, можем «видеть» реакцию в каждый момент времени, то есть изучать весь ее ход. От начала, когда мы смешиваем компоненты, до конца, когда мы получили конечное вещество. Но мы можем еще, и это тоже очень важно для химиков, изучать промежуточные вещества реакции, интермедиаты. То, какие интермедиаты в химической реакции, сколько они живут и как друг в друга превращаются, очень важно для многих приложений и для правильного управления реакцией.

И по скорости «моментального снимка реакции» мы можем дойти до очень высоких показателей. Особенно это важно, допустим, в реакциях фотовозбуждения, фотохимии. На синхротроне можно получать один кадр с «временем выдержки» (говоря терминами фотографии) в 100 пикосекунд (одна десятимиллиардная секунды – прим. А.П.). Это достаточно короткая выдержка. А на самых последних поколениях синхротронов, которые называются «рентгеновские лазеры на свободных электронах», можно довести этот показатель вообще до фемтосекунд (квадриллионных долей секунды – прим. А.П). И это тот фреймворк, тот уровень, насколько подробно мы можем разбить всю реакцию на отдельные «кадры».

Но есть и много других интересных реакций, которые текут значительно медленнее, и секунды, и минуты. И то, что мы можем видеть интермедиаты в реакционной смеси, это всем химикам и материаловедам очень нравится.

При этом мы можем определять как локальную атомную структуру — как атомы расположены друг относительно друга, — так и, например, зарядовое состояние. И при этом без сложных расчетов. А для химиков это очень важно, потому что химики, к сожалению, в большей мере просто сливают пробирочки, а через сколько-то часов говорят: «А вот тут раствор такого цвета, значит, здесь вот в таком зарядовом состоянии ион железа». А мы это видим сразу «на лету», потому что спектр просто сдвигается, край поглощения сдвигается, и там линейную зависимость легко определить сразу же. И поэтому к нам обращаются, мы у себя и каталитические реакции рассматриваем. А недавно к нам приезжала группа из Московского университета, профессор Антипов, мы им аккумуляторы заряжали, разряжали и смотрели, что там в процессе происходит.

А. Паевский: академик Евгений Антипов?

А. Солдатов: Да, Женя, он мой давний друг, и мы с ним вместе занимаемся направлением Material Science в РНФ. Он руководитель секции «Химия», а я руководитель секции «Физика», но я считаю, что часто работы по науке о материалах относятся к физике. Его группа много раз приезжала сюда, передавала образцы, мы даже сделали для их исследований специальный стенд, где мы эти образцы заряжаем-разряжаем и смотрим, что происходит в этих материалах.

Еще мы можем, в принципе, измерять межатомные расстояния, вариации межатомных расстояний в молекуле, в нанокристалле с точностью до двух пикометров. Это, соответственно, одна сотая среднего межатомного расстояния в твердом теле. Когда же мы смотрим полную 3D-структуру, то углы химической связи мы можем определять с точностью до несколько градусов. А если говорить о зарядовом состоянии, то, наверное, мы можем его определять с точностью одна десятая заряда электрона.

_А. Паевский: Сразу же вопрос, поскольку вы упомянули про синхротрон, а на СКИФ-то уже планы есть у вас (СКИФ – синхротрон «Сибирский Кольцевой Источник Фотонов», который в настоящее время создается под Новосибирском – прим А.П.)?

А. Солдатов: Да, я, кстати, являюсь заместителем директора Научного комитета СКИФа, который и определяет общую стратегию использования ЦКП СКИФ (что там будет исследоваться, какие станции запускать и тому подобное)._

Да, конечно, мы активно работаем в этом направлении. Университет вошел в ассоциацию организаций и вузов, которые интересуются тематикой СКИФа и которые готовят специалистов для этого, участвуют в научной программе, конечно.

А. Паевский: То есть будет своя станция?

А. Солдатов: Мы в настоящее время работаем по вводу в действие одной новой станции, но не для СКИФа. В этом году мы выиграли крупный проект по программе развития синхротронных и нейтронных исследований. И мы будем запускать станцию в Курчатовском институте на синхротроне КИСИ. Проект называется «Первая российская умная станция на синхротронах», наша станция будет под управлением искусственного интеллекта, в чем мы тоже специализируемся, и это позволит нам анализировать большие спектральные данные прямо в режиме реального времени.

А. Паевский: А вот СКИФ, с его светимостью, с его мощностью, какие позволят решать задачи в вашей области, которые пока не получается решать? На том же синхротроне Курчатовского института, например.

А. Солдатов: Во-первых, там будет высокая когерентность, поэтому там будут возможны некоторые методики, которые в настоящее время невозможно реализовать в Курчатовском синхротроне невозможны. Ведь нынешний Курчатовский синхротрон считается поколением 2+, а СКИФ относится к поколению 4 и выше. Но, конечно, давайте посмотрим, какие показатели будут, когда он реально заработает.

Во-вторых, более высокая яркость позволит изучать более быстрые реакции, и это позволит уловить быстрые изменения, происходящие в ходе исследуемого химического процесса. Можно будет, конечно, использовать для исследования значительно меньше вещества чем сейчас.

Исходных реактивов же бывает очень мало, поэтому делать большое количество вещества для исследования — это не всегда легко сейчас. Плюс можно будет отслеживать небольшие концентрации интермедиатов, возникающих в процессе реакции. Допустим, некий каталитический процесс, реакция идет активно и бурно, а сам катализатор — это зачастую одиночный атом на подложке. Поэтому любые процессы с низкой концентрацией веществ и с высокой скоростью процессов будет, конечно, намного проще и быстрее исследоваться на СКИФе. А Когда СКИФ запустится, то уже Курчатовский синхротрон встанет на апгрейд, что позволит и ему достичь более высоких характеристик.

А. Паевский: Ваш проректор, Евгений Муханов, рассказал, что в число трех магистральных направлений научной деятельности ЮФУ по новому «Приоритету-2030» вошли ваше направление, направление по почвам профессора Минкиной и ребята, которые занимаются биосенсорикой. И, как мне сказал Евгений, у вас очень плотная и интересная коллаборация с почвоведами. Можно про это рассказать? Про работу по почвам.

А. Солдатов: Да, конечно. Наше взаимодействие началось, когда я предложил Татьяне Михайловне включить в число методов, которые они используют для анализа почвы, синхротронное излучение. Потому что этим мало кто занимается и сейчас в мире, а на тот период, когда они начинали исследования, практически такими исследованиями не занимался никто, поэтому это было таким новым и интересным направлением. Тогда же мы договорились начать вместе изучать влияние техногенных катастроф и загрязнений с участием наночастиц, ведь их каждый год производится все больше и больше.

И сейчас надо смотреть не только, что делается с почвами от дыма какой-нибудь ГРЭС, когда шлейф ее выброса тянется на поля. Но и, например, такая ситуация: едет грузовик, в котором 5 тонн наночастиц, случайное ДТП, грузовик переворачивается — мы такое, к сожалению, часто видим на трассе М4 — и то, как это повлияет на почву, надо уметь изучать.

Тем более сейчас коллеги перешли к инженерии почв, то есть будут ее сами создавать, модифицировать, и здесь, конечно, диагностика на установках мега-класса важна и перспективна. Так что мы исследуем, что происходит с почвами, как сделать новую почву с точки зрения инженера, как ее можно модифицировать и как следить за процессами, которые там происходят. А так как синхротронное излучение очень мощное, оно может эти процессы исследовать с высоким временным разрешением. Вот поэтому Татьяна Михайловна теперь вовсю использует это направление.

А. Паевский: Давайте тогда еще один вопрос по науке, который мне всегда был интересен. Смотрите, рентген — это, наверное, предпоследний край по длине волны, к которому можно залезть. Что дальше? Что нас ждет за синхротронами? Будет ли какой-то следующий этап взаимодействия излучения с веществом в исследовательских целях? Гамма-лазер или что?

А. Солдатов: Не знаю. Понимаете, мы с рентгеном уже достигли той точности, выше которой идти не очень интересно или информативно. Скажите, если мы измерим межатомные расстояния с разрешением меньше, чем 2 пикометра, мы сможем что-то новое важное для материаловедения заметить?

А. Паевский: Подозреваю, что нет.

А. Солдатов: И мне кажется, что нет. Мы здесь как бы подошли к пределу. И точно так же, как, допустим, лазеры на свободных электронах, они позволяют нам дойти до фемтосекунд. Есть ли реакции, ну или какие-то значимые процессы, которые идут быстрее, аттосекунды (одна миллиардная от одной миллиардной секунды – прим. А.П.)? Вы навскидку можете сказать, в какой реакции нам нужно знать детали протекания с разрешением в аттосекунды?

А. Паевский: Не скажу.

А. Солдатов: Хотя разработчики идут дальше, и такие лабораторные лазеры пытаются сделать, чтобы вот так с разрешением уже на аттосекунды перейти, но это уже приходится чисто изобретать себе задачу, мне кажется. Вот те, кто занимается реальной жизнью, реальными материалами, от которых зависит наша жизнь, понимают, что это, наверное, уже за пределами интереса.

А. Паевский: Тогда давайте перейдем к личному. Вы — ученик и продолжатель научной школы Михаила Анатольевича Блохина. Можете рассказать о нем немножко и о вашем общении с ним?

А. Солдатов: Я был одним из последних его аспирантов. Михаил Анатольевич был классическим интеллигентом, у него была лучшая в Ростове коллекция виниловых дисков. И так как я часто ездил в Италию, я в Риме был раз 50, так сложилось, я на постдок поехал, и потом меня они регулярно приглашали, я ему всегда привозил эти виниловые диски с классическими ариями, и он был очень счастлив.

Надо отметить, что среди его учеников — больше 50 докторов наук, это, в общем-то, необычные цифры, а учеников-кандидатов наук — не одна сотня.

Блохин заложил векторы для развития множества направлений в области рентгеновской спектроскопии. Интересно, что он был даже директором Института физики в нашем университете, но потом ушел, сказав: «Нет, это не для меня, кафедры мне достаточно». И еще важная деталь: он ко всем студентами обращался только на «вы», что не все профессора вузов делают сейчас. Точно так же дело обстоит и в научных лабораториях. При этом он как завкафедрой мог бы отдавать какие-то распоряжения, — и отдавал — но всегда оформлял их в виде просьб. Говорит: «Саша, а не могли бы вы посмотреть вот эту статью там?» Мне кажется, что это очень важный элемент общения, потому что он создает такую приятную экосистему, как сейчас называют.

С другой стороны, он был достаточно жестким руководителем, сотрудник кафедры не мог послать статью, если он не доложил ее на семинаре, и ее не обсудили, и не все согласились с тем, что это интересные и важные результаты. Семинары у нас были регулярные, частые, и это тоже очень важно, потому что зачастую бывает, что в научных организациях или в университетах, что ни доцент, то отдельная тема, отдельное направление работы, и он варится в собственном соку, никому ничего не рассказывая. И коллеги рядом не знают, чем точно он занимается сейчас. А это, в общем, неправильно.

А. Паевский: И мы как раз с Евгением Мухановым и Максимом Бондаревым говорили о том, что бывают научные школы как ругательное слово, а бывают научные школы хорошие. Обсуждали разницу между хорошей и плохой.

Правильная научная школа, «научная школа здорового человека», как раз всегда открыта и максимально коллаборирует, сотрудничает. Давайте я задам еще один вопрос, вдогонку к научным школам. Как у вас сейчас в вашей группе с молодежью? Хватает ли ее? Насколько она активная, насколько она классная?

А. Солдатов: Мы начинали с несколько комнат в старом здании заброшенного общежития, которые начали сами их ремонтировать и обустраивать. Сейчас мы доросли до института ЮФУ, у нас 65 сотрудников, для которых это основное место работы. И средний возраст у нас где-то 32 года, а в целом по университету средний возраст сотрудников около 54 лет. У нас хватает молодежи, более того, у нас основные сотрудники — молодежь, и есть еще очень важная особенность нашего коллектива — это мультидисциплинарность. У нас приблизительно по трети наших сотрудников — это физики, химики и айтишники в направлении искусственного интеллекта. И они все работают вместе. Это очень важно, что в одном подразделении вместе все специалисты, которые нужны для того, чтобы создать лабораторию полного цикла. Когда мы первые на Юге России выиграли мегагрант по 220 постановлению Правительства РФ, мы именно такую цель и поставили — создать лабораторию полного цикла, который объединяет три составляющих: суперкомпьютерное моделирование, химический синтез и диагностику материалов, в том числе с использованием синхротронного излучения. И у нас это успешно получилось.

И что еще хочу сказать, нашу экосистему отличает то, что мы сохранили принципы здоровой научной школы. Большинство наших студентов переходят в нашу аспирантуру, дальше в докторантуру. То есть они остаются в альма матер.

Но — что тоже важно — в отличие от классической научной школы российского образца, у нас очень большая международная мобильность. Ну, сейчас она не столько международная, сколько вот внутрироссийская, хотя у нас есть два проекта РНФ с Китаем, но эта научная мобильность очень интенсивная. Я считаю, что это краеугольный камень, потому что ученому нельзя «вариться только в собственном соку».

Мы не жалуемся, что к нам не тянется молодежь: у нас ее очень много. У нас защищаются очень молодыми даже доктора наук. Но потом мы их не обязательно привязываем к себе. У меня, допустим, из тридцати выпускников аспирантуры пятеро сейчас работают на международных зарубежных синхротронах. С другой стороны, «отток» в 5 кандидатов наук из 30 — это не очень высокий, кстати, коэффициент. То есть большую часть ученых высокого мирового уровня мы все-таки готовим для России и для ЮФУ в том числе.

А. Паевский: Спасибо вам огромное и удачных новых работ!