«Каждый проект — это новый челлендж»: лауреат ITMO Fellowship Юлия Мельчакова ― о дизайне молекул, спинтронике и образовании в Южной Корее

— Вы занимаетесь молекулярным дизайном. Как бы вы сами объяснили суть вашего направления в паре предложений ― причем, человеку, который слышит об этом впервые?

— Если коротко, я моделирую реальные и гипотетические структуры, нахожу их свойства и предсказываю, в каких областях можно будет их применить — в производстве или науке. Представьте набор шариков, за каждым из которых стоит отдельный атом либо ион, а за каждым атомом — большой набор функций. А я, по сути, собирают из этого набора кристаллы, молекулы и новые материалы.

— А если подробнее ― в каких областях и для каких задач особенно нужны такие исследования?

— Во-первых, с помощью дизайна молекул можно предсказать свойства материала, если до этого его структура еще не была изучена. Например, если у нас есть трехмерный материал, еще не факт, что его двумерный аналог будет обладать такими же свойствами. Чтобы это выяснить, материал нужно сгенерировать в двумерном формате, найти его свойства и сравнить их с 3D-аналогом. Потом эти данные передают экспериментаторам, которые решают, стоит ли иметь дело с этим материалом или нет.

Второй случай — практический интерес, когда у нас есть какая-то реакция, и нам нужно понять, по какому принципу она проходит. Для этого я создаю исходные реагенты А и Б, проектирую примерный путь реакции и смотрю, каким образом она идет по факту. Например, мы изучаем реакцию адсорбции, когда какая-то молекула садится на поверхность, и смотрим, как при этом меняются свойства поверхности, молекул. Часто это используется на производстве, в катализе (для ускорения или замедления химических реакций) и медицине. Например, в далеком 2014 году я изучала реакцию окисления NO до NO2 на поверхности кластера золота и графена. Такая реакция помогла бы снизить токсичность выхлопных газов автомобилей, что полезно с экологической точки зрения.

— Что именно вы делаете, чтобы решить эти задачи?

— Сначала я моделирую затравочную структуру материалов и с помощью квантово-химических программ оптимизирую ее, то есть добиваюсь таких позиций атомов, в которых силы, действующие на них, минимальны. Затем рассчитываю их свойства: заряд, спиновое состояние, ширину запрещенной зоны и другие. 

Если говорить о практическом применении, до ИТМО я работала с экспериментаторами из Италии: они изучали процесс сорбции серосодержащей молекулы 6Т на поверхность сложного оксида LSMO (смешанный оксид лантана и марганца). Нам нужно было посмотреть, каким образом упаковывается молекула на поверхности оксида и как перераспределяется заряд на самой молекуле. Результаты показали, что гетероструктура может стать перспективным материалом для спинтроники. В работе мы совмещали экспериментальные данные и мои теоретические.

— А почему вы вообще решили заниматься наукой и как пришли к молекулярному моделированию?

— Я училась в Сибирском федеральном университете в Красноярске, там окончила бакалавриат по химии и магистратуру по физической химии. При этом мне всегда было интересно работать с компьютерами. На первом курсе я попробовала начать путь в качестве экспериментатора, но мир квантовой химии быстро меня переманил, и уже в начале второго курса я начала работать в области теоретического моделирования, чем и занимаюсь по сей день. В следующем году исполнится 10 лет моей квантовой карьере — и с каждым годом она становится все интереснее.

По завершении обучения в СФУ я выиграла стипендию на обучение в университете в Южной Корее, где защитила PhD по теме «Теоретическое изучение путей поверхностных реакций: адсорбция и миграция переходных металлов на поверхности графена и графеноподобного нитрида углерода» (Theoretical study of surface reaction pathways: adsorption and migration of transition metal on top of graphene and g-C3N4). В своей работе я изучала поверхностные явление: как будет проходить адсорбция и миграция различных наноразмерных фрагментов на разных подложках.

— И как вам опыт в Южной Корее?

— Противоречивый, были некоторые сложности в социальном плане. Любая адаптация к новой культуре — это непросто. Но наука интернациональна, поэтому в целом могу оценить опыт как интересный. Было здорово пообщаться с людьми другой культуры, буквально жить на английском языке.

В Корее другой подход к образованию. Например, там многое отдается на самостоятельную работу и обучение — нам часто доверяли делать проекты самим. В этом смысле мне очень помогло фундаментальное образование, которое я получила в России, поэтому сложностей с обучением не возникало. К моменту переезда в Корею у меня уже был опыт написания статей, поэтому довольно несложно было начать работать в качестве исследователя. Корейские профессора были искренне удивлены, что я могу на таком уровне защищать свои научные результаты.

Обычно у корейских студентов нет такого бэкграунда, им нужно время, чтобы освоить определенный минимум. В частности, поэтому они очень трудолюбивы, много времени проводят в лабораториях. Например, я часто работала с практиками — синтез частиц, которым они занимаются, мог занимать часов десять. И все это время они не должны были покидать рабочее место.

— А как вы из Южной Кореи попали в ИТМО? Почему подались на программу ITMO Fellowship?

— Сначала я переехала в Петербург — считаю, что это один из самых перспективных городов России. Здесь нашла Новый физтех, на факультете как раз развивают научное направление, которым занимаюсь и я. А потом уже вышла на программу ITMO Fellowship, с помощью которой смогла присоединиться к группе под руководством Михаила Рыбина и продолжить свои исследования. Мне нравится дружелюбная и неклассическая университетская атмосфера в ИТМО: всё тепло и по-семейному. Еще здесь много мероприятий: научные семинары, выезды на природу.

— Чем вы занимаетесь в рамках программы ITMO Fellowship?

— Я участвую в разных проектах ― в том числе разрабатываю наноразмерные материалы. Одна из моих последних работ посвящена сорбции европия на графен разной морфологии — я изучала, как будут меняться свойства этого интерфейса.

Результаты этой работы и других моих исследований в ИТМО будут полезны для разработки устройств спиновой памяти. Спинтроника — это область квантовой электроники, которая использует спин (момент импульса элементарных частиц) электрона наравне с его зарядом для получения, обработки и передачи информации в твердотельных устройствах. Использование спинов позволит сделать компьютеры быстрее.

Также результаты можно применить в химии. Например, с помощью молекулярного моделирования можно сделать новые катализаторы меньшего размера, с меньшей токсичностью, большим сроком эксплуатации. Они позволят проводить химическую реакцию быстрее или с большим выходом вещества, а также задействовать меньше сторонних веществ и пригодятся как для крупномасштабных производств, так и научных лабораторий.

— Каким вы в целом видите результат своей работы в Первом неклассическом?

— В первую очередь мне хочется продолжать свои исследования и оформить их результаты в качественные научные статьи. Кроме того, я хочу найти новые коллаборации, знакомства, получить опыт расчетов и дизайна сложных структур, с которыми я не сталкивалась ранее. Ведь работа с каждым новым ученым, проектом — это каждый раз новый челлендж.