Автор: Горюнов И. А.

И.А. ГОРЮНОВ, журналист

Представляем читателям уникальное научное учреждение - Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина РАН (ИФВД), где изучают фундаментальные и прикладные аспекты физики сильно сжатого вещества. Второго такого нет не только в России, но и в мире.

стр. 17

Практически все видимое вещество Вселенной сосредоточено в громадных самогравитирующих телах, таких, как планеты и звезды. Расчеты показывают: от 90 до 95% его находится под давлением выше 10 кбар. И мы должны изучать, как оно ведет себя в этих условиях, если хотим расширить свои знания о материи.

АЛМАЗНАЯ "ЛИХОРАДКА"

ИФВД был создан в подмосковном городе Троицке в 1958 г. на базе лаборатории сверхвысоких давлений АН СССР. Первым его директором стал академик Л.Ф. Верещагин, научные интересы которого формировались под влиянием основателя физики высоких давлений, нобелевского лауреата, американского ученого П.У. Бриджмена (1882-1961).

Предполагалось, что исследования в институте в основном будут носить фундаментальный характер. Однако сразу же перед новым коллективом поставили абсолютно конкретную задачу. К этому времени американцы синтезировали искусственный алмаз (1956 г.), что в перспективе позволяло существенно повысить потенциал промышленности. И тут же советские специалисты получили заказ: в кратчайшие сроки разработать соответствующую технологию. Исполнителем стал ИФВД, ибо без создания аппаратуры высокого давления при этом было не обойтись.

Теоретические основы процесса синтеза алмазов были известны еще с середины 30-х годов XX в. Тогда известный советский ученый, профессор О. И. Лейпунский в журнале "Успехи химии" предложил способ их получения. Воплотить его идею взялись сотрудники ИФВД под руководством Л.Ф. Верещагина в 1960 г. Они добились желаемого. Причем, как вспоминает один из участников проекта, помощник директора по производственным вопросам, кандидат технических наук Ю.С. Коняев, сотрудники ИФВД нашли более простой, эффективный и надежный способ получения искусственных алмазов, основанный на использовании оригинальной аппаратуры высокого давления. Это позволило быстро наладить промышленное производство алмазов не только в Советском Союзе, но и в странах социалистического содружества. О достоинстве метода свидетельствует тот факт, что к началу 80-х годов объемы выпуска таких кристаллов в СССР превосходили показатели американцев в 2 раза.

стр. 18

В последующие годы в составе института появились лаборатории прикладного характера, обслуживающие промышленность по производству алмазов и других сверхтвердых материалов (в частности, алмазоподобного нитрида бора, также впервые синтезированного здесь). Тут были разработаны и специальные приспособления для выравнивания (методом фрезеровки) быстроизнашивающихся взлетных полос аэродромов для авиации стратегического назначения.

"ЧТО В ИМЕНИ ТЕБЕ МОЕМ?"

"Алмазная" тема в значительной степени способствовала росту благосостояния института - он получил значительные средства на строительство и развитие экспериментальной базы. В частности, в 1975 г. был введен в строй самый мощный в мире исследовательский пресс усилием 50 тыс. т.

Однако окончательно статус первоклассного научного учреждения закрепился за ИФВД в 1961 г. после синтеза здесь сверхплотной модификации кремнезема. Это была оригинальная фундаментальная работа, давшая ключ к пониманию вещественного состава нашей планеты. Ее осуществили нынешний директор ИФВД, член- корреспондент РАН, а тогда аспирант института С.М. Стишов и заведующая отделом, тогда младший научный сотрудник С. В. Попова. Стишов в своей кандидатской диссертации показал, что значительная часть вещества Земли представляет собой обычный кремнезем, который при высоких давлениях переходит в более плотное состояние. Впоследствии в Аризонском метеоритном кратере был обнаружен минерал - природный аналог полученного в лабораторных условиях в Троицке сверхплотного кремнезема (в честь первооткрывателя американцы назвали его "стишовит"). В настоящее время установлено: нижняя мантия Земли и планет земной группы состоит из материала, содержащего кремний в той же координации (ближайшем атомном окружении), что и "стишовит".

Синтез сверхплотной модификации кремнезема, осуществленный в ИФВД, показал определяющую роль фазовых переходов при формировании структуры Земли и планет. Тем самым на десятилетия вперед было определено направление исследований в области геофизики. Это открытие также послужило стимулом для многолетней деятельности данного научного учреждения по синтезу метастабильных фаз высокого давления. А в 2000 г. тут в условиях высоких давлений и температур впервые вырастили крупные монокристаллы "стишовита". Исследования физических свойств этого материала обещают быстрый прогресс в понимании процессов, происходящих в недрах Земли и других небесных тел.

У ЗЕМЛИ СТЕКЛЯННОЕ "СЕРДЦЕ"

Изучение превращения вещества в условиях высокого статического давления - одно из основных научных направлений ИФВД. Этому способствует солидная фундаментальная база, позволяющая экспериментально моделировать поведение вещества, находящегося в сжатом или сверхсжатом состоянии.

- Это позволяет нашим сотрудникам ставить интересные геофизические задачи и решать их, - рассказывает заместитель директора института, доктор физико- математических наук В. В. Бражкин. - Недавно в ходе опытов были прояснены некоторые аспекты строения ядра Земли. Удалось это сделать следующим образом.

Экспериментально исследовав кристаллизацию расплава железа при быстром охлаждении и высо-

стр. 19

ких давлениях, ученые установили:

в таких условиях его вязкость возрастает в миллиарды раз. Затем они смоделировали протекающие внутри ядра Земли процессы. И высказали предположение, что последнее находится не в кристаллическом, как предполагалось ранее, а в аморфном стеклообразном состоянии. То есть при давлениях порядка 3-4 Мбар расплав железа перестает течь и как бы застывает - стеклуется. Отсюда появился совершенно новый взгляд на строение ядра нашей планеты: это вязкоупругое тело с непрерывно и плавно нарастающей вязкостью вплоть до стекольных значений.

Новая теория хорошо согласуется с поведением сейсмических волн на границе внешней и внутренней зон ядра Земли. В их частотном диапазоне аморфное вещество проявляет себя так же, как твердое. То есть похоже, что температура в центре нашей планеты еще не опустилась ниже точки плавления. И значит, версия загустевшего, но не кристаллического состояния ядра более предпочтительнее. Этим, вероятно, объясняется то, что до сих пор не удается наблюдать свободные колебания внутреннего ядра под действием приливных сил Луны. Кстати, от абсолютных значений вязкости земных недр зависят быстрые колебания земной оси.

И еще. Факт стабильного существования высоковязких металлов может привести к пересмотру многих моделей эволюции и движения вещества внутри небесных тел, генерации их магнитного поля: ведь смесь водорода и гелия, из которой состоят звезды и планеты-гиганты, при давлении в десятки миллионов атмосфер представляет собой жидкий ультравязкий металл.

СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ

Не забывают сегодня сотрудники ИФВД и свой любимый минерал - алмаз. Совсем недавно они изучили его "экстремальные" свойства. Было установлено: свойственное ему рекордное среди всех веществ значение модуля объемной упругости - следствие его уникальной атомной плотности (количество атомов в единице объема), а эффекты ковалентности (направленности связей) в данном случае не играют существенной роли. Вместе с тем в последние годы здесь синтезированы и исследованы новые высокотемпературные сверхпроводники на основе соединении ртути. Получены образцы с непревзойденным пока значением температуры сверхтекучести (Те =154 К при давлении 1,5 ГПа). Это позволяет надеяться на создание в будущем превосходных материалов для сверхпроводников.

Использование разработанной в институте новой высокочувствительной методики регистрации сверхпроводимости позволило обнаружить и изучить ее в ряде элементарных веществ при давлениях до 2 Мбар. Так, при 1,6 Мбар для серы Тс составила 17К.

Именно в ИФВД впервые в мире обнаружили и исследовали новые типы фазовых переходов в таких неупорядоченных системах, как жидкости и стекла. Одновременно разработаны аппараты высокого давления типа "Тороид" с модифицированным профилем, которые при использовании созданного здесь же твердого сплава позволяют достигать давления до 16 ГПа в объеме =0,3 см ³ , что рекордно для аналогичных установок.

- Наши сотрудники всегда занимались как теоретической, так и прикладной наукой. Но в послед-

стр. 20

стр. 21

ние годы мы стали больше внимания уделять фундаментальной физике, - подчеркнул С.М. Стишов. - Эти перемены обусловлены нашей сегодняшней бедностью. Фундаментальные исследования хоть как-то обеспечивает федеральный бюджет. Прикладные же работы, в отличие от советских времен, когда их щедро финансировал военно- промышленный комплекс, ныне никому не нужны. Мы не можем, как раньше, в полной мере заниматься физикой низких температур и сверхвысоких давлений, ибо соответствующий поиск чрезвычайно дорог. Например, создание новых камер высокого давления с алмазными наковальнями - почти неподъемная по стоимости для института задача. Выход из этой ситуации мы видим в налаживании международного сотрудничества, чему способствует уникальность ИФВД. С зарубежными коллегами выполняем множество совместных работ. В свою очередь наши сотрудники, в том числе и молодые, участвуют в международных проектах.

РОССИЙСКИЙ ПОДХОД

- Наука, конечно, интернациональна по своей сути, но в каждой стране имеется свой подход к решению тех или иных проблем, который со временем может стать основой зарождения новой научной школы. Например, в теоретической физике существует множество способов решения одной и той же задачи. В США и западноевропейских странах, где никогда не испытывали недостатка в вычислительной технике, чрезвычайно развит численный метод. Россияне же всегда отставали с оснащенностью своих лабораторий ЭВМ, а теперь компьютерной техникой и, наверное, именно поэтому у нас очень популярен аналитический подход. Более того, когда в последнее время компьютеры в нашей стране перестали быть редкостью, многие отечественные теоретики предпочитают решать задачи по-прежнему.

То же самое с аппаратурой и оборудованием. Например, уже упомянутый аппарат высокого давления "Тороид" имеет высокую неоднородность давлений в рабочей зоне, но очень прост в эксплуатации. Его американский аналог "Белт" более капризен, требует значительных средств на обслуживание, зато имеет больший рабочий объем камеры.

Однако различия в подходах к решению тех или иных проблем у российских и зарубежных ученых не преграда, а, скорее, стимул к взаимовыгодному сотрудничеству. В какой-то мере это определяет перспективу деятельности института в ближайшем будущем.

Его тематика - это планы наших сотрудников, - продолжает С.М. Стишов. - По мнению дирекции, именно научные интересы людей должны задавать вектор деятельности ИФВД. Никакую исследовательскую тему нельзя навязать приказом. Надо, чтобы человек ею жил, чтобы она стала частью его жизни.

Конечно, мы считаем, что уровень фундаментальных изысканий у нас должен не уступать зарубежному, а прикладная наука иметь спрос, т.е. быть конкурентоспособной как минимум на внутреннем рынке. Исходя из этих целей, уче-

стр. 22

ные строят стратегию своей деятельности. У нас работают 115 научных сотрудников, из которых 20 докторов и 76 кандидатов наук. Порядка 50 специалистов "делают" первоклассную науку и около 20 способны создавать, образно говоря, вещи для продажи. Задача дирекции - обеспечить нормальные условия для успешной деятельности тех и других. Не случайно за годы существования института его сотрудники получили два свидетельства на открытия, около 400 патентов на изобретения (из них 48 за рубежом).

Естественно, мы уделяем большое внимание подготовке молодежи. Процесс обучения, как известно, происходит не по учебникам и монографиям, а от учителя к ученику. Другого человечество не придумало. С этим в институте все в порядке. Мы готовим ученых, которые, с моей точки зрения, в будущем имеют все возможности по-настоящему проявить себя. Прежде всего в нашей стране.

Теперь, - завершает разговор С.М. Стишов, - все говорят о важности науки. Но общество начинает по-настоящему ощущать ее необходимость только тогда, когда оно сталкивается с действительно серьезными проблемами. Это касается не только россиян, но и американцев. Об этом я сужу не понаслышке, так как на протяжении последних лет регулярно, по нескольку месяцев в году, работаю в Лос- Аламосской национальной лаборатории. Ныне в США прилично финансируют лишь биологию и медицину. Политики считают, что если фирмам нужны инновационные технологии, - пусть они и оплачивают большую часть затрат на их создание. Однако без фундаментальной науки не будет производства, деградации подвергнется система образования. Места ученых на кафедрах займут дилетанты. Люди начнут забывать таблицу умножения, и дело может дойти до того, что единственной наукой останется астрология.

стр. 23

Постоянный адрес данной публикации: