Путь в науку

Я увлекся наукой с детства. Родители покупали мне детские научно-популярные журналы вроде «Юного техника» и «Моделиста-конструктора». Из них я узнавал, как устроена Вселенная, рассматривал картинки и мечтал, что стану изобретателем. А еще собирал разные модели машин из картона ― переводил выкройки из журнала через копировальную бумагу, изучал схему сборки модели, а потом раскрашивал ее, чтобы модель выглядела как настоящая. Помимо этого, делал и собственные модели, создавая свои выкройки.

С седьмого класса школы начал участвовать в олимпиадах по физике и занимать призовые места. На одном из таких соревнований я получил баллы, которые помогли поступить в СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Там я начал заниматься микроэлектроникой. Было интересно узнать, как проектируются разные микросхемы, подбираются материалы для устройств, чтобы те не перегревались, и за что отвечают микропроцессоры, резисторы, транзисторы и прочие элементы. За время обучения освоил физику твердого тела, химию, в том числе физическую, материаловедение. В итоге вышел из университета технологом в области микроэлектроники.

После выпуска устроился на работу в петербургский Институт химии силикатов РАН. Прошел там практически все позиции — от инженера до старшего научного сотрудника. Например, работал над фундаментальным исследованием в области твердотельных газовых сенсоров: улучшал работу лямбда-зонда — датчика кислорода, который есть в каждой машине. Он определяет количество оставшегося свободного кислорода в выхлопных газах, что позволяет уменьшить количество выбросов вредных газов и потребление топлива. Обычно такие устройства делаются на основе оксида циркония, а я пытался модифицировать этот материал, добавляя разные легирующие примеси.

Работа в Италии и возвращение в Россию

Проработав порядка 15 лет в институте, я решил попробовать что-то новое и отправился на программу постдокторантуры в Италии. Там я успел поработать над двумя проектами. Для первого выполнял компьютерные расчеты фотохимических преобразователей на основе органических молекул, которые конвертируют солнечную энергию в электрическую. Такие материалы можно использовать для создания органических солнечных батарей. А второй проект был посвящен молекулярным магнитам. Их можно использовать для создания устройств хранения информации со сверхвысокой емкостью.

Проработав год в Италии, решил вернулся в Россию, потому что у меня появился ребенок. Здесь я продолжил заниматься наукой ― но уже в ИТМО, куда попал по программе ITMO Fellowship. О ней мне рассказал бывший коллега, с которым я работал в Институте химии силикатов РАН. Мне понравилось описание программы, и я, недолго думая, сразу подал заявку.

В ИТМО мне прежде всего нравится атмосфера. Здесь эксперты с компетенциями из разных научных областей собираются в команды, проводят совместные исследования и помогают друг другу. В ИТМО в принципе очень доброжелательная и комфортная обстановка. Если я хочу поработать над каким-либо новым проектом, всегда знаю, что меня поддержат старшие коллеги, а доступ к лабораторному оборудованию открыт.

Прочитайте также:

ИТМО запустил новый трек программы постдокторантуры для молодых ученых со всей России

От исследования микробиома оленеводов до лечения заболеваний: биоинформатик Анна Попенко ― о том, как и зачем изучать микробиоту кишечника

А еще в ИТМО я могу реализовать проект своей мечты. В детстве меня интересовала не только физика, но и программирование. Но стать программистом не получилось — когда я поступал в институт и выбирал специальность, компьютеры стоили очень дорого, поэтому у меня не было возможности практиковаться. Со временем, когда компьютеры стали доступнее, я стал сам осваивать специализированные программы. Они помогали делать расчеты и модели для исследований в области физической химии и квантовых технологий.

Я вижу, что в ИТМО быстро развивается направление, связанное с искусственным интеллектом и технологиями машинного обучения, а еще здесь учится и работает много профессиональных IT-специалистов. Поэтому объединить их и свою экспертизу физического химика и специалиста в области многомасштабного моделирования, чтобы вместе проводить исследования, кажется неплохой идеей.

Идеальные «кирпичики» для 3D-печати будущего

В университете я работаю над несколькими проектами. Один из них касается разработки новых материалов для 3D-печати. Сейчас с помощью 3D-печати из алюминия, пластика, металлов и других материалов можно создавать разные вещи ― даже, например, собирать целые дома и машины. Для этого в программе строится 3D-модель изделия, которая с помощью специальных программ преобразуется в код для 3D-принтера. По этому коду и изготавливается образец с помощь 3D-печати. Именно этим направлением занимается наша команда в научно-образовательного центра инфохимии ИТМО. Вместе с научной группой мы разрабатываем кристалломорфный дизайн клеточных каркасов, наполненных внутри градуированными гелями.

Напечатанные предметы дешевле и весят меньше, чем аналоги из традиционных материалов. Но есть и свои нюансы. Прочность и энергопоглощение изделия из 3D-печати зависит от формы «кирпичиков», из которых оно строилась. Сейчас в промышленности чаще всего встречаются структуры в форме сот. Они обладают высоким энергопоглощением и прочностью, но, к сожалению, и высокой анизотропией. Это означает, что если приложить нагрузку в неудачном направлении, структуры сожмутся, и вся напечатанная конструкция разрушится.

Чтобы сделать 3D-изделия более прочными, нужно подобрать материал с превосходными физическими свойствами и придумать новый дизайн «кирпичиков». Это самая сложная часть в моей работе. В этой сфере конкурируют многие научные группы со всего мира, и каждой нужно придумать что-то выдающееся, чтобы обратить внимание на свою разработку. Под каждую конкретную задачу можно подобрать свою форму ячеек. Это постоянно развивающийся процесс, и исследователи придумывают все новые формы и подходы.

В одной из работ, которую я опубликовал, использовалась база данных ATLAS, содержащая более 10 миллионов потенциальных и существующих кристаллических структур минералов цеолитов, которые можно использовать в качестве «кирпичиков». Используя особый высокопроизводительный подход, я отобрал из базы 39 тысяч кубических кристаллических структур, описал их топологию — расположение и взаимосвязь атомов в пространстве, а также рассчитал электронную плотность. Все эти параметры влияют на механические свойства «кирпичика» — например, на модуль Юнга и модуль сдвига.

С помощью компьютерного моделирования я уже собрал 3D-модель изделия из «кирпичиков», спрогнозировал свойства и проверил расчеты на практике — напечатал объемное изделие и протестировал его. Существует множество методов проверки, но наиболее важными из них считаются экспериментальные исследования с использованием статической и динамической нагрузки. Именно они позволяют подтвердить характеристики изделия на практике. Я планирую использовать сразу несколько подходов. Один из них основан на поиске формы самой ячейки с оптимальными свойствами, а второй — на повышении прочности в разы с помощью функциональных гелей, помещенных внутри «кирпичиков». Как раз над этим я работаю сейчас. Кстати, разработанные таким образом изделия чем-то напоминают свежий хлеб — вы нажимаете на него, он прогибается, но совсем скоро полностью восстанавливает форму.

О проекте мечты

В будущем я хочу заняться и другими проектами и создать программу, которая будет искать новые материалы для аккумуляторов, а также рассчитывать и прогнозировать их характеристики. И в этом как раз и может помочь синергия химии и IT.

Сейчас самый популярный материал для аккумуляторов ― литий, но использовать его дорого. Поэтому промышленность заинтересована в том, чтобы найти более дешевый, но при этом такой же эффективный аналог. Если смотреть на решение проблемы классически, то для начала нужно выработать новый подход, проанализировав множество научных статей и факторов, определяющих величину рабочего напряжения, пожаробезопасность, удельную мощность, емкость и другие важные свойства аккумуляторов в зависимости от их состава.

На рутинные задачи уходит очень много времени, но их можно ускорить, если привлечь искусственный интеллект. Например, написать парсер и усовершенствовать имеющиеся IT-инструменты, исходя из их недостатков. Этот подход позволит извлекать информацию из научных статей, собрать базу данных и на ее основе построить компьютерную модель с предсказанием и расчетами. При этом важно, чтобы была и хорошая идея, и глубокое понимание процессов в материалах. Если все получится, то появится IT-помощник, который подскажет виды и соотношение материалов для создания батарейки с определенными характеристиками, а ученым останется лишь собрать и проверить устройство. Чтобы осуществить этот проект, нужны программисты, материаловеды, электрохимики, специалисты в области физики твердого тела и химии. В ИТМО и Петербурге в целом есть эксперты в таких областях и возможности для коллабораций, поэтому проект можно реализовать.